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AUTOMATIZACION INDUSTRIAL-299013-UNAD

Automatización Industrial

Hugo Orlando Perez navarro

Unidad1. Introducción a la Automatización

Universidad Nacional Abierta y A distancia UNAD 2011

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Unidad1. Introducción a la Automatización 1. INTRODUCCION. La Automatización se compone de todas las teorías y tecnologías encaminadas de alguna forma a sustituir el trabajo del hombre por el de la máquina. En este capítulo daremos unas ideas muy generales sobre esta área, tan amplia y compleja, y posteriormente las desarrollaremos a lo largo del curso. Conceptualmente, la automatización se basa en una reiterada aplicación del mecanismo de feedback y, por ello, está en ese sentido relacionada con las Teorías de Control y de Sistemas. En cuanto a su aspecto tecnológico, puede decirse que siempre ha estado “a la última”, adoptando en cada momento histórico los más recientes avances. Siendo nuestro objetivo automatizar ciertos procesos, parece claro que primero hemos saber cómo funcionan esos procesos. Como veremos, el tipo de automatización a implantar depende del tipo de proceso a automatizar: no da lo mismo automatizar un proceso continuo que un proceso gobernado por eventos. Debido a la gran cantidad de procesos distintos que funcionan actualmente, consideraremos sólo los más importantes desde el punto de de la automatización, y obtendremos modelos con sus características esenciales. Los procesos y modelos que iremos estudiando en capítulos posteriores son: • Procesos continuos (tiempo continuo y/o discreto) • Procesos comandados por eventos • Procesos de fabricación Aparte de las explicaciones dadas en clase sobre los procesos industriales y de su estudio, puede ser un complemento interesante su observación real, in situ, realizando visitas a algunas empresas. Pero no es suficiente con aprender a automatizar cada proceso. En una moderna factoría todos los procesos están conectados entre sí y desde la gestión de la empresa se pueden controlar y supervisar algunos o todos los procesos, a través de redes locales y buses de comunicación. También pueden estar en conexión los diferentes departamentos de la empresa, e incluso empresas diferentes a través de redes propias o de Internet. Es por ello interesante describir cada proceso como inscrito en el marco jerárquico que representa la estructura completa de la empresa. En este marco, las redes locales y los buses de comunicación cobran especial interés. 1.1

Perspectiva histórica

Se cree que cuando el homo sapiens dominó el fuego, comenzó a usarlo como elemento calefactor y para condimentar alimentos. Tuvo que pasar mucho tiempo, hasta la Edad del Bronce, para que lo empleara en la obtención de metales y en la cerámica dando así lugar a los que podríamos llamar primeros procesos de fabricación de la historia. Pero el fuego no ha sido la ´única fuente de energía de la antigüedad. Hacia el año 2000 a. de J.C. se utiliza por primera vez la energía eólica para mover embarcaciones dotadas de velas y,


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hacia el 1000 a. de J.C., los fenicios atravesaban el Mediterráneo con sus navíos. Más tarde, sobre el 50 a. de J.C., los Romanos empiezan a utilizar la energía hidráulica para la extracción de agua por medio de la noria. Durante la edad media se utilizó mucho, en prácticamente toda Europa, la energía generada por los molinos de viento. La invención de la máquina de vapor por James Watt hacia 1750 es el acontecimiento que marca el inicio de la Revolución Industrial, que dura hasta finales de siglo. Las tecnologías productivas nacen en ese momento: la máquina de vapor se emplea rápidamente para mover las bombas de extracción de agua en las minas de carbón de Gales y en la automatización de los telares en Manchester. Durante este período, con las de máquinas de vapor y luego con las de combustión interna y los motores eléctricos, se van produciendo cambios progresivos en los procesos de producción. Las máquinas herramienta ganan potencia y precisión, lo que a su vez permite fabricar productos de mayor calidad. Surgen así los primeros talleres mecánicos que producen máquinas algunas de las cuales llevan ya rudimentarios sistemas de control. En el siglo XX, aunque ya no se denomine así, continúa la revolución industrial con un desenfrenado avance tecnológico y científico. La evolución de la técnica es permanente, con una sucesión interminable de inventos y aplicaciones, muchos de los cuales (pensemos sin ir más lejos en el automóvil y en los electrodomésticos) se han convertido en herramientas básicas para hombre actual. Todo este desarrollo ha sido consecuencia de una premisa fundamental: la existencia de fuentes de energía inagotable y barata. Pero su veracidad se ha puesto en entredicho con la crisis del petroleó iniciada en las últimas décadas del siglo XX. Los sistemas productivos no han sido ajenos a todos estos avances. La empresa, motor del desarrollo del sector privado e incluso del sector público, se ve obligada casi siempre a incorporar las últimas tecnologías en sus procesos o de lo contrario corre el peligro que quedar rápidamente obsoleta. Algunas teorías, tecnologías y ´áreas tecnológicas cuyo avance ha favorecido la Evolución de los procesos productivos son las siguientes: • Teorías – Teorías de Control y de Sistemas – Teoría de la señal – Sistemas de eventos discretos – Máquinas de estado – Redes de Petri – Gráficos etapa-transición (grafcet) – Cartas de estado (statechart) • Tecnologías – Neumática – Hidráulica – Electrónica – Microprocesadores


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– Ordenadores – Autómatas programables – Robótica – Comunicaciones – Desarrollo del software • Áreas tecnológicas – Automatización de las máquinas-herramienta – Control de procesos por computador – Diseño asistido por computador (CAD) – Fabricación asistida por computador (CAM) – Fabricación integral por computador (CIM) – Control de procesos distribuido – Células flexibles de mecanizado y de montaje Cabe aquí decir que el crecimiento de Robótica no ha sido tan rápido como vaticinaban ciertas predicciones realizadas en los primeros años de la década de los 80. Quizás esto se deba a la carestía de los equipos y a la no tan evidente importancia de su flexibilidad como en principio se creía: si un robot va a hacer siempre la misma tarea, resulta más económico utilizar otro sistema menos flexible y más especializado. Por ello, en tareas repetitivas que no requieren mucha precisión resulta aconsejable utilizar manipuladores (neumáticos por ejemplo) en vez de robots. En otras tareas más complejas (tales como la soldadura por laser) que precisan el seguimiento de trayectorias complejas, sí que el robot sigue siendo insustituible. 1.2

La empresa productiva

Una empresa productiva es un ente socioeconómico capaz de adecuar parcialmente dos flujos esenciales que concurren en el mercado: producción y consumo. Por un lado, por medio de estudios de mercado, determina las necesidades del consumidor y le transfiere los productos que demanda y, por otro, produce los productos que le va a trasferir. Hay otras empresas, de servicios, en las que los productos se sustituyen por servicios. Así que toda empresa puede considerarse como formada por dos subsistemas, uno de los cuales se encarga de medir las necesidades de los consumidores y de transferirles los productos que las satisfagan y el otro que se encarga de la producción. La empresa es, por tanto, un elemento productivo en el mercado pero puede verse también como elemento consumidor (de materias primas) en el mismo. La empresa se articula en departamentos o secciones de los que los más importantes tradicionalmente vienen siendo los siguientes: • Finanzas • Gestión • Compras • Almacén de materias primas • Producción • Almacén de productos terminados • Ventas


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Todos estos departamentos no son, ni mucho menos, los únicos existentes sino que a su vez se articulan en otros departamentos y secciones que en función del tamaño de la empresa esa pueden ser de mayor o menor complejidad. Los nombres pueden cambiar según sea el contexto en que se enmarque o se estudie la empresa. La actividad de la empresa se puede representar por medio de un diagrama de bloques en el que los bloques son los procesos y las flechas son los flujos de entrada y salida de cada proceso. En la figura se han representado los principales bloques y flujos de la empresa. Los flujos que las flechas representan son: Flujos de producto Flujos de capital Flujos de control (órdenes y medidas) Obsérvese que todos los bloques reciben flechas (ordenes) del bloque de gestión y envían flechas (medidas) al mismo. El bloque de gestión es el más importante en el sentido de que controla a todos los demás.

Figura 1.1: Esquema de la empresa productiva


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El diagrama de bloques puede dividirse en dos partes. La parte superior que se encarga de la generación del producto (gestión de producción) y la parte inferior que se encarga llevar el producto al mercado y de obtener el beneficio (gestión de mercado o mercadotecnia). Cada uno de estos bloques se subdivide a su vez de otros bloques, subprocesos, con sus flujos asociados. El objetivo de la empresa es maximizar el beneficio. 1.2.1 El proceso productivo Un proceso productivo es una serie de operaciones que se realizan sobre unas materias primas (o productos más elementales) para obtener un producto terminado, listo para su utilización. Una definición descriptiva de proceso productivo puede resultar muy complicada, puesto que hay muchas clases de procesos, siendo en cambio más sencillo dar una definición de tipo “entrada-salida”: Un proceso productivo es un sistema dinámico de control cuya entrada es un flujo de producto (materias primas) y cuya salida es otro flujo de productos (productos terminados).

Con una definición así perdemos toda noción de lo que sucede por dentro del proceso pero en cambio capturamos lo esencial desde el punto de vista productivo: flujos de producto de entrada y de salida (flechas) y cómo se relacionan entre sí (bloque). Sin embargo el bloque o “función” que relaciona ambos flujos no es simple sino que es un complejo sistema movido por eventos. Un proceso productivo se compone internamente de diferentes subprocesos más simples conectados entre sí, cada uno de los cuales se puede considerar también como un sistema dinámico de control o proceso. Por tanto, hemos de tener una idea de cuales son y cómo funcionan (o sea cuáles son sus modelos matemáticos) los sistemas de control o procesos más simples porque de ese modo podremos entender después cómo funcionan los procesos de fabricación. Los procesos productivos están catalogados como sistemas complejos en la Teoría de Sistemas. La complejidad surge de la interconexión de unos procesos con otros y de la naturaleza estocástica de muchos de los eventos que dirigen la evolución del sistema. Cada proceso está conectado con otros procesos internos y externos a la empresa, que pueden ser de muy distinta naturaleza y, en general, se compone de subprocesos más simples interrelacionados entre sí.


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Cada proceso productivo va asociado a un producto. Si queremos fabricar otro producto deberemos cambiar el proceso. Sin embargo, para un producto terminado dado y para la misma materia prima, el proceso puede no ser único: en general, un mismo producto se puede fabricar de muchas formas diferentes. 1.2.2 Operaciones básicas de fabricación Los procesos de fabricación más simples se llaman operaciones básicas. Algunas de ellas son: • Procesado de un elemento • Montaje • Movimiento de material • Almacenamiento • Inspección y control Procesado de un elemento Es un proceso que se aplica a un solo producto, bien sea una pieza elemental o bien un conjunto de piezas ya montado. Son de este tipo los procesos de mecanizado, los de pintura, los tratamientos térmicos, etc.

Proceso de montaje Cuando un producto (terminado o no) se compone de varios elementos, la serie de operaciones necesarias para unir todas las piezas formando el producto terminado se llama proceso de montaje.


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1.2.3 Tipos de procesos Si en nuestro hogar echamos una mirada a nuestro alrededor y observamos los objetos que nos rodean, veremos que la gran mayoría de ellos son el resultado o producto de algún proceso de fabricación y nos daremos cuenta que deben existen multitud de ellos. Incluso, con un poco de imaginación y ciertos conocimientos técnicos, podemos adivinar cuál ha sido el proceso para fabricar un determinado producto o, mejor dicho, los posibles procesos, ya que también nos daremos cuenta enseguida de que hay muchas formas de fabricar el mismo producto. Ahora bien, tras muchos años de experiencia, se han afianzado cuatro tipos estándar de procesos: • Job Shops • Producción por lotes • Líneas de producción • Producción continúa Job Shops Es un tipo de producción que permite fabricar una amplia gama de productos en series de tamaño pequeño o mediano. Los productos suelen ser conjuntos de componentes, posiblemente complicados o de alta tecnología, montados. Se utiliza para la fabricación de ciertas máquinas herramientas, robots, aviones, aeronaves y algunos prototipos. Suelen exigir mano de obra muy especializada y mucho tiempo para el diseño de los procesos y para la preparación de la maquinaria y los equipos humanos de montaje. Por todo ello, los tiempos de producción son elevados y los costes también. Producción por lotes Está orientada a la fabricación de lotes de tamaño medio de un determinado producto. La producción de cada lote se hace de una tirada y, una vez terminado un lote, el departamento de fabricación envía una orden de control indicando si se puede pasar a fabricar otro lote del mismo o de otro producto, en función de la demanda. La maquinaria y el personal han de estar preparados para realizar con celeridad las operaciones de cambio de lote. Es quizás el tipo de producción que se emplea para fabricar mayor número de productos. Las industrias de calzado, muebles, electrodomésticos, máquina-herramienta y otras muchas, lo utilizan.

Líneas de producción Estos procesos son el resultado de la evolución de la producción en cadena, ideada por Henry Ford. Se utiliza para producir grandes series de unos pocos productos, que suelen estar formados mediante el montaje de piezas. El producto se desplaza colocado en cintas trasportadoras, en carros o en otros elementos de transporte y va pasando por estaciones de trabajo en cada una de las cuales se le aplica un determinado proceso. Si en una planta se utilizan varias líneas de producción, los productos pueden pasar de una línea a otra, existiendo muchas configuraciones posibles, así como diferentes métodos y mecanismos de transferencia. Se suenen utilizar zonas o recipientes a modo de pequeños


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almacenes, para el almacenamiento intermedio de productos semielaborados, y alimentadores de piezas para los procesos. Básicamente hay dos tipos de líneas: líneas de proceso y líneas de montaje. En las primeras, un producto o materia prima va pasando por distintos procesos que lo van transformando hasta llegar al producto final. Un ejemplo lo tenemos en el mecanizado de piezas. Las líneas de montaje se utilizan para fabricar productos formados por conjuntos de piezas montados. Quizás sea la fabricación de automóviles el ejemplo más típico de este tipo de producción. Se fabrican grandes series de unos pocos modelos. Otros ejemplos son la fabricación de ciertos productos de gran consumo como neumáticos, bombillas, bicicletas, envases de plástico, etc. En este tipo de fabricación se diseña toda la factoría en función del producto a fabricar, por lo que un cambio de producto suele exigir el cierre de aquella o, al menos, una completa remodelación de la misma. Producción continúa. Es el tipo indicado cuando se desea producir pocos productos, de naturaleza simple (no compuestos de muchas piezas) y en grandes cantidades. Se puede ver como un flujo continuo de producto sobre el que se van realizando una serie de operaciones o procesos. Por un lado entra la materia prima y por otro sale el producto final (figura 1.2).

Figura 1.2: Proceso de producción continúa

Este tipo de producción se aplica sobre todo en las industrias químicas, petroquímicas textiles, de plástico y de laminación de acero. 1.2.4 Ubicación de los procesos La disposición de los procesos dentro de la planta de producción es importante porque de ella dependen muchos factores del proceso de producción así como la comodidad del personal, los cableados de alimentación y buses de comunicaciones, etc. Los programas simulación (estocástica) de procesos pueden ayudar mucho en el diseño de la distribución en planta. Tradicionalmente se consideran cuatro posibilidades de ubicación • Producto en posición fija • Por clases de procesos • En flujo de producto • Por tecnología de grupo


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Producto en posición fija Cuando el producto es muy grande, muy pesado o, por alguna otra razón, no debe moverse, hay que ubicar las herramientas y los otros equipos de fabricación en la zona más idónea para, en su momento, incidir en el producto. A veces se precisa realizar obras e instalaciones especiales para poner todo en una buena disposición. Es la disposición más indicada en las industrias naval y aeronáutica. Por clases de procesos Las máquinas de producción se ubican en zonas o locales de la factoría por clases de procesos. En cada zona o local sólo se realiza un proceso. Es una distribución que se implanta mucho para procesos de mecanizado de piezas: la misma pieza va pasando por las distintas zonas hasta finalizar su mecanizado. Resulta un tipo de fabricación muy flexible puesto que se puede cambiar el proceso simplemente añadiendo o quitando ciertas máquinas. En flujo de producto Los elementos que intervienen en la producción se disponen a lo largo del flujo de producto. Por ejemplo, a lo largo de una línea de montaje en una fabricación de líneas dedicadas o a lo largo del flujo de producto una producción continúa. No es fácil hacer cambios en el proceso. Por tecnología de grupo Esta distribución está indicada para factorías con gran diversidad de productos y pretende ser una combinación de las dos anteriores. Se basa en clasificar en familias las piezas a fabricar (sin importar el producto en el que irán montadas) por su semejanza en su diseño y fabricación. Con esto se puede conseguir organizar la producción en dos partes: 1) por clases de procesos, (que fabricaría las familias de piezas) y 2) en flujo de producto (que fabricaría el resto de las piezas y haría los montajes pertinentes). 2. EL PROCESO EN FEEDBACK 2.1 El proceso en feedback La realimentación o feedback es el artificio básico del control. Aunque suponemos que el tema es ya conocido por el lector, creemos conveniente recapacitar sobre su funcionamiento, por ser básico para muchas de las partes que se tratarán más adelante. Lo haremos (por razones históricas) a partir del primer mecanismo que lo incorporó: el governor de Watt. 2.2 El regulador de Watt Aunque se conocen algunas aplicaciones de aparatos que funcionaban siguiendo el principio de la realimentación y que datan de ´épocas muy antiguas, se puede decir que el primer sistema de control industrial de la historia fue el regulador (governor) inventado (o al menos adaptado) por James Watt hacia 1788 para su máquina de vapor. Veamos, a modo ilustrativo, su esquema. En la figura aparece la pieza quizás más importante que suele llamarse “regulador de bolas” y que ejerce a la vez captador, regulador y actuador.


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Figura 2.1: regulador de bolas

El operador o maquinista controla la posición xC del punto superior del cuadrilátero articulado fijando así la consigna de velocidad !ref. El eje dibujado está unido al eje de rotación de la máquina de vapor. Si la velocidad !(t) de ésta aumenta, entonces, debido a la fuerza centrífuga, las bolas B se separan y el vértice inferior A del cuadrilátero articulado, móvil, actúa cerrando la válvula de salida de vapor de la caldera. Se establece así un proceso en “feedback” que se puede explicar con el diagrama de bloques siguiente. El regulador de bolas hace las funciones del punto de suma y de los bloques captadores y actuador.

Figura 2.2: controlador La tarea que realiza este controlador es simple y efectiva: el controlador abre o cierra la válvula en función de la diferencia e entre la medida xA de la salida (variable controlada) y la entrada xC (referencia). Si e es cero entonces la medida de la salida es igual a la referencia, es decir, el valor de la variable controlada es el deseado y la salida del actuador es cero (no actúa); en caso contrario el controlador moverá la válvula en sentido de apertura o de cierre, dependiendo


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de que el valor e sea positivo o negativo. Es fácil acoplar mecánicamente el punto a la válvula de modo que esta se abra si e > 0. De este modo se consigue que la velocidad de rotación !(t) del eje de la máquina se mantenga más o menos constante, incluso aunque se produzcan variaciones en la potencia entregada o en la presión p de la caldera. 2.3 Esquema de regulación en feedback El artificio que hace funcionar al regulador de Watt es la realimentación o feedback. Una vez entendamos cómo funciona podremos comprobar, quizás con asombro, que no sólo puede aplicarse a la máquina de vapor sino que puede servir de base para controlar otros sistemas físicos de muy diferente naturaleza tales como sistemas económicos y sistemas productivos. Además, la realimentación aparece a veces como un componente básico en muchos procesos de la Naturaleza, incluso en los seres vivos.

Figura 2.3: Esquema de regulación en feedback

Los elementos esenciales que aparecen en el regulador de Watt y que configuran todo mecanismo de control con realimentación (figura 2.3) son los siguientes: Entrada de referencia o de consigna Entrada perturbadora Salida C Controlador. Es el dispositivo que toma la diferencia _(t) entre la entrada de referencia yref y la medida ym(t) de la respuesta, la procesa y, como resultado del proceso, envía estímulos x(t) sobre el actuador. Realmente es un procesador de señal. A Actuador. Actúa, con la potencia necesaria, sobre la planta. P Planta o Proceso: es el sistema a controlar (la máquina de vapor en el regulador de Watt).


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M Medidor. Es un aparato para medir, normalmente en forma eléctrica, el valor de la salida y(t). La idea del control es simple: con la entrada de referencia yref el operador fija el valor deseado para la variable de salida y(t) (a controlar); el controlador recibe en su entrada la diferencia _(t) entre la entrada yref de referencia y la medida ym(t) de dicha salida en un instante t1, de modo que si esa diferencia es positiva (ym < yref) entonces, tras el proceso de la señal _(t), enviara estímulos x(t) al actuador para que éste ejerza una acción u(t) sobre la planta con el fin de que el valor de la salida y(t) vaya aumentando para t > t1. Cuando en otro instante t2 > t1 la diferencia e sea negativa, la acción del controlador será la inversa, es decir, ejercerá una acción u(t) sobre la planta tal que el valor de la salida y(t) vaya disminuyendo para t > t2. En adecuadas condiciones, si el controlador se diseña correctamente, es posible conseguir que el valor de la salida se mantenga, más o menos, igual al valor de la entrada de referencia incluso en presencia de la perturbación d (t). 2.4 El significado del control Controlar un sistema dinámico significa conducirlo, llevarlo, gobernarlo o comandarlo, de tal manera que su trayectoria o evolución en el tiempo se aproxime a una fijada de antemano, mediante la actuación sobre unos elementos del sistema llamados controles. Así, un chófer controla la trayectoria de un vehículo girando el volante, pisando el acelerador y los frenos y moviendo el cambio de marchas. De forma más imprecisa, el gobierno de una nación dispone de ciertos controles, como los salarios, los impuestos, el valor de la moneda, etc., para controlar la evolución de la tasa de inflación. La Teoría de Control estudia los sistemas que son de algún modo controlables así como los problemas relacionados con este control. Un sistema de control es una entidad u objeto provisto de unos terminales de entrada (controles), por los cuales puede recibir estímulos, y otros de salida, por de que emite su respuesta. Esta definición permite representar gráficamente un sistema de control como una caja negra o bloque con flechas de entrada y de salida. La figura 2.4 representa un sistema mono variable, es decir, con una entrada y una salida. El sistema objeto de control suele denominarse Planta o Proceso, de acuerdo con sus aplicaciones en ingeniería.

Figura 2.4: Sistema 2.5 El control en la empresa El esquema de regulación en feedback es aplicable a muchos de los procesos de la empresa, dando lugar a diferentes clases de control según sea la aplicación. Algunos de ellos son:


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• Control de producción • Control de calidad • Control de presupuestos • Control de procesos Los elementos esenciales del control van a seguir siendo siempre la medida de variables del proceso a controlar, la realimentación de la variable medida, la comparación con una consigna previamente establecida y, en función de esta última, la actuación sobre el proceso. 3. LA AUTOMATIZACION INDUSTRIAL. Automatizar un proceso es conseguir que, aplicando el mecanismo de feedback, funcione sin intervención humana. Como veremos, esta idea resulta muy clara en el caso del control de procesos continuos, pero también se ve que funciona en el caso de otros tipos de control, como es el caso de los procesos movidos por eventos. 3.1 Técnicas de control Atendiendo a la técnica utilizada para procesar señales, el bloque de control C de la figura 2.3 se puede realizar físicamente mediante • Técnicas analógicas • Técnicas digitales Técnicas analógicas Es el método más antiguo de los dos y dio lugar a las técnicas de control clásicas. El proceso analógico de señales puede ser mecánico, neumático, hidráulico, eléctrico, electrónico y ´óptico. En el regulador de Watt es de tipo mecánico. El componente fundamental que permitió el desarrollo del control analógico fue el amplificador electrónico, inventado en la década de los 50. La aplicación principal de las técnicas analógicas es la realización de controladores de Procesos Continuos industriales: mecanismos y máquinas movidos por motores eléctricos, procesos con fluidos, hornos, etc. Hay dos tipos que han sido, y siguen siendo, muy utilizados: el controlador de adelanto-retraso de fase y el controlador PID. En este último, las letras significan Proporcional, integral, derivativo e indican el proceso, o función matemática C (·), que realiza el controlador:

En donde los parámetros Kp, Td y Ti son constantes. La realización de esta función se hace casi siempre utilizando componentes electrónicos analógicos, generalmente amplificadores operacionales, pero son posibles las realizaciones con componentes de fluidos.


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Técnicas digitales La aparición primero del ordenador y posteriormente de los microprocesadores y microcontroladores y del ordenador personal, así como el desarrollo de las comunicaciones, del software y de otros campos afines, han hecho que las técnicas de control se hayan sofisticado y extendido. Las aplicaciones son muchas. En principio, las técnicas digitales se utilizaron para realizar controladores para los procesos continuos. Los controladores antaño analógicos, y en particular el PID, hoy día se realizan y comercializan en su versión digital. Ahora la función (1.1) arriba descrita la realiza un microprocesador a través de un algoritmo. El campo de aplicación es el mismo pero las prestaciones de los digitales son muy superiores a las de sus hermanos analógicos. Resulta más fácil sintonizarlos, es decir, ponerles los parámetros adecuados, y están preparados para poder ser operados a distancia a través de buses de comunicación. Después, se utilizaron para el desarrollo de otros dispositivos de control, entre los que cabe destacar el autómata programable de gran aplicación en el Control de procesos de eventos discretos. Y, finalmente, han hecho posible una creciente Automatización Global, es decir, la expansión del control y las comunicaciones por toda la empresa en base a las estructuras de control que se han ido creando: control centralizado, control distribuido, control jerárquico, etc. 3.2 Estructuras de automatización En el intento de automatizar cualquier empresa siempre nos van a surgir un buen número de cuestiones: ¿dónde va ubicado y cómo se realiza el control de cada proceso? ¿Cómo se conectan unos controles con otros? ¿Se pueden controlar y/o supervisar procesos desde la gestión de la empresa? Para responderlas, habremos de idear algún plan para estructurar el control. El grado de automatización deseado va a ser fundamental para trazar dicho plan. Se suelen distinguir como cuatro categorías:

Figura 3.1: Estructura de control: computador – 4 autómatas


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• Automatización fija • Automatización programable • Automatización flexible • Automatización total La automatización fija se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto y, por tanto, se puede justificar económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producción elevadas. Un ejemplo típico puede ser la fabricación de automóviles. Un inconveniente de la automatización fija es que su ciclo de vida depende de la vigencia del producto en el mercado. La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de productos a obtener. En este caso el equipo de producción es diseñado para adaptarse a las variaciones de configuración del producto y esta adaptación se realiza por medio de Software. Un ejemplo podría ser la fabricación de diferentes tipos de tornillos bajo pedido. Por su parte, la automatización flexible es más adecuada para un rango de producción medio. Los sistemas flexibles poseen características de la automatización fija y de la automatización programada. Suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre sí por sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una computadora. El escalón final es la automatización total de la producción, en la que, idealmente, la fabricación se realizaría sin intervención humana. En la figura 1.5 se muestra una estructura de control sencilla compuesta por un computador que se comunica, a través de un bus, con cuatro autómatas programables cada uno de los cuales controla un determinado proceso. 3.2.1 Ventajas e inconvenientes de la automatización Como es lógico, la automatización tiene sus ventajas e inconvenientes. Entre las primeras podemos citar: • Permite aumentar la producción y adaptarla a la demanda • Disminuye el coste del producto • Consigue mejorar la calidad del producto y mantenerla constante • Mejora la gestión de la empresa • Disminuye de la mano de obra necesaria • Hace más flexible el uso de la herramienta Algunos inconvenientes son • Incremento del paro en la sociedad • Incremento de la energía consumida por producto • Repercusión de la inversión en el coste del producto • Exigencia de mayor nivel de conocimientos de los operarios Hasta ahora no se ha dado mucha importancia al segundo punto pero cabe pensar que, en el futuro, el aumento del coste de la energía pueda repercutir en un considerable aumento de los costes de la producción automatizada. Ello nos llevaría a tener que considerar nuevos métodos


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o, quizás, a reconsiderar antiguos métodos de fabricación semi-automatizada en la que ciertas tareas podrían ser realizadas por operarios humanos. De hecho, aunque lamentable, es significativa la práctica de la utilización de mano de obra barata, no especializada (incluso infantil), por grandes compañías que instalan sus factorías en países subdesarrollados. En el mundo industrial actual la Automatización es prácticamente imprescindible, debido a los niveles de productividad, fiabilidad y rentabilidad que el mercado Exige a los productos elaborados para ser competitivos. Antaño la automatización se aplicaba sólo al proceso productivo (a las máquinas), porque era el que más recursos humanos consumía, resultando así una automatización local. Pero hoy día podemos hablar de una automatización global ya que se ha extendido no sólo a todos los procesos de la empresa (bloques de la figura 1.1) sino también a los flujos de control (líneas a trazos de la figura 1.1), que pueden también ser automatizados mediante buses de comunicación y redes de ´área local; además, una empresa puede comunicarse a través de Internet con otras empresas pudiendo crearse de esta forma redes de empresas extendidas por todo el mundo. 3.3 Elementos de la automatización Hay muchas áreas y tecnologías que intervienen en la automatización. Las más importantes, junto con algunos de sus elementos, son: • Mecánica – Herramientas – Mecanismos – Máquinas – Elementos de transporte • Eléctrica – Automatismos eléctricos – Motores eléctricos de c.c. y c.a. – Cableados de fuerza y de mando – Aparillajes eléctricos en general • Tecnología Electrónica – Controladores analógicos – Sensores / Transductores – Pre-accionadores – Drivers de accionamientos – Comunicaciones – Telemando y Telemetría – Sistemas de comunicación inalámbrica • Neumática y electro-neumática


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– Cilindros neumáticos – Válvulas neumáticas y electro-neumáticas – Automatismos neumáticos • Hidráulica y electro-hidráulica – Cilindros hidráulicos – Válvulas hidráulicas y electro-hidráulicas – Automatismos hidráulicos • Aplicaciones de Control e Informática Industrial – Controladores de procesos – Control por computador – Control embutido (embedded control) – Autómatas programables – Visión artificial – Robótica – Mecatrónica / Control de movimiento – Células de fabricación flexible – Células de Mecanizado – Células de Montaje Automático – Control Numérico – Sistemas CAD-CAM (Computer Aided Design & Manufacturing) – Sistemas CIM (Computer Integrated Manufacturing System) – Redes y buses de comunicaciones 3.4 MODELOS MATEMATICOS DE SISTEMAS En el análisis de los sistemas de control juegan un papel primordial los modelos Matemáticos. Un modelo matemático de un sistema dinámico es una ecuación o sistema de ecuaciones, de un determinado tipo, que lo representa, y cuya evolución en el tiempo se corresponde con la del sistema. El modelo permite hacer cálculos, predicciones, simulaciones y diseñar nuevos Sistemas de control “sobre el papel” sin necesidad de tener que construirlos hasta que se considere oportuno. Los bloques, entradas y salidas que componen un sistema de control pueden ser de naturaleza muy diferente según sea la aplicación que estemos considerando. La Teoría de Control es la parte de la ciencia que estudia todos estos sistemas desde los puntos de vista matemático, físico y tecnológico. Lo primero que vamos a hacer para estudiar matemáticamente los sistemas es clasificarlos atendiendo a alguna propiedad importante. Como no cabe duda que el tiempo es esencial para todo sistema de control, puesto su evolución depende del tiempo, podemos clasificarlos, atendiendo a cómo sea dicha evolución, en: • Sistemas de tiempo continuo


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• Sistemas de tiempo discreto • Sistemas de eventos discretos Esta clasificación nos va servir tanto para el estudio matemático, análisis y modelado de los sistemas de control como para su síntesis, o sea, su diseño y realización utilizando diferentes tecnologías. Cada una de estas clases se divide a su vez en otras 3.4.1 Modelado y simulación de sistemas complejos 25 Que van configurando las diferentes partes que configuran la Teoría de Control y sus aplicaciones. Los sistemas de eventos discretos reciben también el nombre de sistemas reactivos o sistemas comandados por eventos (event-driven systems). Sus modelos matemáticos son complejos, se basan en procesos estocásticos y procesos de colas, por lo que es habitual trabajar con modelos no matemáticos basados en computador. En este sentido ha supuesto un gran avance la especificación del Lenguaje Unificado de Modelado (UML). El modelado y simulación se utiliza en muy aplicaciones diversas, tales como dinámica de fluidos, sistemas energéticos y gestión de negocios. Dentro del currículo universitario se estudia, entre otras, en las ´áreas de Teoría de Sistemas, Teoría de Control, Análisis Numérico, Ciencias de la Computación, Inteligencia Artificial e Investigación Operativa. Poco a poco ha ido haciéndose cada vez más potente hasta el punto en que hoy se considera con capacidad para integrar todas las anteriores disciplinas. Más aún, ha sido propuesto por algunos como el paradigma de la computación del futuro. Como paradigma, constituye un método para representar los problemas, para analizarlos y para obtener soluciones. En la fase de análisis, el modelo se construye inductivamente a partir de observaciones realizadas sobre un sistema real. En la fase de síntesis se utilizan los modelos creados en la fase de análisis para diseñar nuevos modelos que satisfagan determinadas especificaciones y se construyen los sistemas reales (realizaciones) si se considera oportuno. A veces suele ser preciso repetir iterativamente las fases de análisis y diseño hasta conseguir dar con la solución buscada. 3.5 Importancia del modelado El conocimiento sobre las cosas que tenemos a nuestro alrededor, adquirido a través de los sentidos y almacenado en el cerebro, no es la realidad sino una abstracción, un modelo de la misma. Es un modelo en el que se reflejan algunas características estáticas (forma, dimensiones, color, sonido, olor, temperatura, acabado superficial, etc.) y quizás también algunas otras dinámicas (velocidad, etc). Si utilizamos instrumentos de medida, la información que adquirimos puede enriquecerse con números, gráficos y quizás con otros tipos de información propia de cada instrumento. De alguna manera, la información que hemos adquirido sobre un objeto es el resultado de experiencias (experimentos) que hemos realizado sobre el mismo. Por tanto, la información adquirida es siempre parcial, se refiere a los resultados de experiencias o experimentos y el modelo de cualquier sistema es también parcial, es decir, sólo refleja aquellos aspectos que han sido medidos y analizados dentro de un determinado contexto experimental. Otros aspectos pueden quedar ocultos en el modelo porque aún no se conocen, sencillamente porque no se han medido o, si se quiere, porque quedan fuera de contexto.


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Figura 3.2 : Esquema del modelado

En la figura 3.2 se indica esquemáticamente el proceso de obtención de un modelo a partir de la realidad. Es importante recalcar que la información que podemos tener sobre una determinada entidad real la adquirimos a través de experimentos hechos en un determinado contexto de modelado. Por esta razón, los nombres con que muchas veces se etiquetan ciertas entidades del mundo real provienen no de la entidad misma sino de su modelo. Así, por ejemplo, si hablamos de sistemas de tiempo continuo nos estamos refiriendo a la familia de entidades reales que admiten un modelo de tiempo continuo. Es decir que lo que estamos haciendo es clasificar las entidades reales en clases en función de las características de los modelos. Es evidente que una misma entidad real puede pertenecer a varias de estas clases, o sea, puede admitir distintos modelos, dependiendo de las características que se quieran poner de manifiesto. Disponer de un modelo antes de proceder al desarrollo de software y hardware es tan importante para el ingeniero responsable de cualquier automatización industrial como puede ser, para el arquitecto, tener un anteproyecto antes de construir un gran edificio. El modelado adquiere mayor importancia cuanto mayor es la complejidad del sistema. Algunos sistemas (por ejemplo biológicos) son tan complicados que hasta hace poco no se sabía muy bien cómo funcionaban pero que, tras el modelado de sus partes elementales y la posterior conexión de las mismas, empiezan ya a ser estudiados y entendidos, al menos en alguno de sus aspectos. Sin ir tan lejos, tener un buen modelo resulta de una ayuda inestimable para cualquier diseño de automatización industrial. Sería estupendo que el lenguaje de modelización fuera universal pues ello facilitar a la comunicación entre los equipos de desarrollo dentro de la empresa y también, fuera de ella, entre los miembros de la comunidad científica.


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Un buen lenguaje de modelización ha de tener • Elementos del modelo – conceptos fundamentales y semánticos • Notación – representación visual de los elementos del modelo • Directivas – lenguajes a utilizar para el modelado 3.5.1 Lenguaje Unificado de Modelización (UML) La carencia de un lenguaje estándar de modelización ha sido durante mucho tiempo el principal quebradero de cabeza de muchos diseñadores de software. La situación era caótica hasta hace poco porque, al ser las herramientas de desarrollo de software de diferentes fabricantes e incompatibles entre sí, cuando alguien pretendía modelar un sistema complejo, formado por subsistemas de diferente naturaleza, al final se le presentaba la complicada tarea de acoplar los resultados de los modelos de cada una de las partes, desarrolladas en diferentes lenguajes. Afortunadamente la situación ha cambiado recientemente con la aparición del denominado Unified Modeling Language (UML). El desarrollo de este lenguaje comenzó en Octubre de 1994 cuando Grady Booch y Jim Rumbaugh, de la empresa Rational Software Corporation, unificaron el anterior método de Booch y el llamado técnica de Modelado de Objetos (OMT) y crearon un proyecto común, al que llamaron Unified Method, cuyo primer borrador vio la luz en Octubre de 1995. A finales del mismo año Ivan Jacobson y su empresa Objectory se unieron a Rational Software y como resultado de la unión surgió el método OOSE (Object-Oriented Software Engineering). Al comenzar a trabajar juntos, Booch, Rumbaugh y Jacobson fijaron como objetivos los siguientes: 1. Otorgar al modelado de sistemas (y no solo al software) la capacidad de utilizar Conceptos orientados a objetos. 2. Establecer un acoplamiento explícito con los artefactos tanto conceptual como ejecutable. 3. Tratar los temas inherentes a la escala en los sistemas complejos y de misión critica. 4. Crear un lenguaje de modelado entendible tanto por las maquinas como por los seres humanos. Los esfuerzos de los tres ingenieros dieron su fruto con la publicación de las versiones 0.9 y 0.91 de UML, en Junio y en Octubre de 1996. UML comenzó a extenderse con rapidez y muchas importantes empresas vieron en UML un asunto de importancia estratégica para sus negocios. Tras una primera fusión con OMG (Object Management Group), Rational Software estableció las bases para crear un consorcio empresarial, al que pronto se unieron las compañías más importantes del mundo de la informática: DEC, HP, IBM, Microsoft, Oracle, TI, Unisys, etc. • Ofrecer a los usuarios un lenguaje de modelado de uso inmediato, expresivo y visual, para desarrollar e intercambiar modelos significativos. • Suministrar mecanismos de extensión y especialización que permitan extender Los conceptos del núcleo del lenguaje.


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• Soportar especificaciones que sean independientes de los lenguajes de programación particulares y de los procesos de desarrollo. • Dar una base formal para el aprendizaje del lenguaje. • Animar el crecimiento del mercado de herramientas para objetos. • Soportar conceptos de desarrollo de alto nivel: components, collaborations, frameworks, patterns. • Integrar las mejores prácticas de programación. 3.5.2 Características de UML UML es un lenguaje sin propietario y abierto a todos. Ofrece a los ingenieros de Sistemas que trabajan en análisis y diseño orientados a objetos, un consistente lenguaje para especificar, visualizar, construir y documentar los artefactos de software y también para el modelado de negocios y de otros sistemas. Esta estructurado en 9 paquetes: • Data Types • Core • Extension Mechanisms • Comon Behavior • State Machines • Activity Graphs • Collaborations • Use Cases • Model Management Los fabricantes y desarrolladores de software que adoptan el lenguaje UML deben etiquetar sus productos con la frase UML compliant e indicar el grado de cumplimiento con cada una de las especificaciones del lenguaje. Para el desarrollo de los artefactos de software, UML tiene en cuenta las siguientes consideraciones: • El estudio de todo sistema complejo se aborda mejor por medio de una secuencia de visiones distintas del modelo. Una sola vista no es suficiente. • Todo modelo se puede expresar a diferentes niveles de fidelidad. • Los mejores modelos están conectados a la realidad. En términos de vistas de un modelo, UML define los siguientes diagramas gráficos: • use case diagram • class diagram • behavior diagrams: – statechart diagram


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– activity diagram – interaction diagrams _ sequence diagram _ collaboration diagram – implementation diagrams: _ component diagram _ deployment diagram Todos estos diagramas dan múltiples perspectivas del sistema bajo análisis o desarrollo. Además UML tiene herramientas para obtener un buen número de visiones derivadas. UML no soporta diagramas de flujo de datos (data-flow diagrams), simplemente porque no encajan limpiamente en un paradigma consistente orientado a objeto. Para modelar flujos de datos valen los diagramas de actividad (activity diagrams) de UML. UML consigue acabar con las diferencias (a veces absurdas) entre los lenguajes de modelización anteriores y, quizás más importante, unifica las perspectivas de acercamiento entre muchas clases diferentes de sistemas (negocios contra sotware), fases de desarrollo (requerimientos, análisis, diseño e implementación) y conceptos internos.




Unidad2. La automática Industrial


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Unidad2. La automática Industrial 4.1 Principios de los Elementos De la Automatización Dedicada. El primer sistema de control automático que fue desarrollado para gobernar un proceso industrializado fue realizado basándose en elementos existentes hasta ese momento. Esos elementos reciben el nombre de relevadores, que son dispositivos electromagnéticos, siendo estos los precursores de la tecnología basada en la filosofía de automatización llamada “automatización dedicada o estándar”. Antes de utilizarlos como elementos de control, los relevadores eran empleados únicamente como mecanismos que manejaban altas potencias sobre todo en el campo de las telecomunicaciones; pero desde hace tiempo y aun todavía en la actualidad, los relevadores son empleados tanto en máquinas como equipos en general como elementos de control y regulación. Los relevadores son componentes electromagnéticos que llevan a cabo conmutaciones en sus partes mecánicas, y además se controlan con poca energía. Los relevadores son utilizados principalmente para el procesamiento de señales de mando que intervienen en la lógica de operación de un proceso. La forma de hacer funcionar un relevador es conectando un voltaje entre los extremos de su bobina, el cual genera una corriente eléctrica que circula a través de dicha bobina, creando con este fluido un campo magnético que a su vez provoca el desplazamiento de una placa metálica hacia el núcleo que tiene adherido la bobina. La placa metálica por su parte, está provista de contactos mecánicos que se pueden abrir o cerrar al moverse la placa; el estado que los contactos pueden adquirir, ya sean abiertos o cerrados, representa el estado lógico que tiene el relevador en ese momento, manteniéndose este estado mientras el voltaje sobre la bobina esté aplicado. Al interrumpir el voltaje de la bobina, la placa metálica vuelve a su posición normal por medio de la acción de un muelle de reposición.

Figura 4. 1 Esquema de un relevador


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De acuerdo a la complejidad de la función específica que se requiere controlar, depende el número de relevadores que se deben emplear, para de esta forma mantener las condiciones de seguridad que exige la operación de la lógica de control. Otro factor importante para determinar la cantidad de relevadores a utilizar es el número de contactos con que cuentan los relevadores, ya que de manera implícita representan las funciones lógicas que se tienen que adoptar. Las distintas funciones de control materializados mediante la operación de los relevadores, se entrelazan entre sí para de esta manera se integre la totalidad del sistema lógico del control automático. Todas las funciones lógicas que tienen que cumplir los relevadores se enlazan entre sí por medio de cableados, que intercomunican a todos los relevadores involucrados. Los distintos relevadores se alojan dentro de un conjunto de bastidores modulares, y es sobre estos donde se realiza todo el cableado para interconectar a los relevadores entre sí. Estas conexiones están compuestas por cables de un sólo hilo rematados por zapatas en ambos extremos.

Figura 4.1.1 Bastidores con relevadores Para de alguna manera facilitar que los relevadores puedan desenchufarse y cambiarse cuando se requiera, estos se instalan sobre bases para de esta forma facilitar su canje. Aquel sistema de control automático que se base en relevadores, debe encontrarse ordenado y alojado en salas cerradas donde también debe existir toda la documentación correspondiente a la conexión de los contactos, y ubicación de sus bobinas (esto último es una situación ideal que no siempre se cumple). A pesar de que la era actual es dominada por la electrónica, los relevadores siguen teniendo gran importancia en el mercado por diversas razones, tales como: Fácil adaptación a diversos voltajes de trabajo. Insensibilidad térmica frente al medio ambiente, ya que los relevadores trabajan fiablemente a temperaturas que van desde –40ºC hasta 80ºC.


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Resistencia relativamente elevada entre los contactos de trabajo cuando estos se encuentran desconectados. Posibilidad de activar varios circuitos independientes entre sí. Presencia de una separación galvánica entre el circuito de mando y el circuito principal.

4.2 EL PLC COMO PARTE MEDULAR DE LA AUTOMATIZACIÓN FLEXIBLE La tecnología que se propone con la utilización de los PLC es muy versátil en lugares donde se requiere de automatizar un proceso industrial. Prácticamente esta tecnología puede adaptarse a cualquier ambiente de operación fácilmente, y sin mayores problemas, por otra parte, se trata de una tecnología que se encuentra dentro de los llamados sistemas de automatización flexibles, por lo que se tienen una amplia gama de prestaciones adicionales. De un tiempo relativamente corto a la fecha, se ha popularizado un enfoque fundamentalmente distinto en la concepción de sistemas de control automático industrial. En este nuevo enfoque, la toma de decisiones del sistema se lleva a cabo mediante la concatenación de instrucciones codificadas las cuales se encuentran almacenadas en un circuito de memoria y ejecutadas por un microprocesador o microcontrolador. La cualidad principal de esta manera de actuar radica en el hecho de que si es necesario que se lleve a cabo alguna modificación en la lógica de control, basta con cambiar las instrucciones del programa, sin que se tenga que realizar modificación alguna en la circuitería del sistema de control. Tales variaciones se realizan de forma muy simple, y muchas veces sin necesidad de parar el proceso productivo, ya que el PLC (dependiendo del fabricante y modelo) tiene la capacidad de realizar varias actividades a la vez, y en muchas ocasiones para efectuar los cambios en el programa se recurre al empleo de un simple teclado.

Figura 4.2 Ejemplo de un PLC.


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Cuando se usa el enfoque de automatización flexible, a la secuencia completa de instrucciones que confeccionan al programa que controla el desempeño del proceso de producción se le llama “programa de control”. Este programa tiene que ser desarrollado por el usuario en función de los requerimientos que son propios del proceso que tiene que ser automatizado, por lo que se tiene que recurrir al empleo de diagramas de flujo para que todos los detalles queden plasmados en el programa de control. Un PLC es un elemento de control que trabaja de manera muy similar a como lo hacen las computadoras personales (PC), por lo que también cuenta con un sistema operativo que es totalmente transparente al usuario, y por lo general no causa todos los contratiempos como los que son originados en las PC’s. Por medio del sistema operativo del PLC se establece la manera de actuar y además se sabe con que dispositivos periféricos se cuenta para poder realizar las acciones de control de un proceso productivo. Este sistema operativo se encuentra alojado en una unidad de memoria, que es la primera a la que accede el microcontrolador, y cuyo contenido cambia de acuerdo al fabricante y el modelo del PLC en cuestión. De acuerdo a lo anterior, al sistema de control automático basado en la tecnología del PLC se le considera como un “sistema programable”, y además se le reconoce como uno de los principales precursores del enfoque de automatización flexible. A manera de resumen y con lo visto hasta el momento, se puede dar un acercamiento a lo que podemos de manera filosófica establecer como una definición de lo que es un PLC: “Se trata de un sistema de control lógico programable capaz de realizar el procesamiento de señales binarias basándose en un programa establecido por el usuario, y que contiene puertos de entrada, salida y transmisión de datos con la debida interacción para su operación

4.2.1 APLICACIONES, DONDE INSTALAR UN PLC A los PLC se les puede encontrar en una gran cantidad de sitios realizando las funciones de controlar procesos industriales, estos procesos llegan a ser tan diferentes inclusive dentro de un mismo complejo industrial, que se les localiza abarcando desde procedimientos simples como puede ser el tener bajo niveles óptimos el valor de temperatura de un recinto cerrado, hasta llegar a los más complejos como ejemplo toda la secuencia de pasos para refinar el crudo en una planta petrolera.

La selección de un PLC como sistema de control depende de las necesidades del proceso productivo que tiene que ser automatizado, considerando como más importantes los aspectos que a continuación se enlistan:


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Espacio reducido.- Cuando el lugar donde se tiene que instalar el sistema de control dentro de la planta es muy pequeño el PLC es la mejor alternativa, ya que aun con todos sus aditamentos necesarios llegan a ocupar un mínimo de espacio sin que esto vaya en detrimento de la productividad y la seguridad del personal y las instalaciones. Procesos de producción periódicamente cambiantes.- Existen industrias como es la automotriz que año con año se ve en la necesidad de cambiar el modelo del vehículo que sale de sus plantas, razón por la cual se tiene que modificar tanto la secuencia de armado como el reajustar los valores de tolerancia de las partes con las que se arma el vehículo. Siendo el arma principal de estos cambios, las modificaciones que sufren las instrucciones del programa que controla la lógica de operación del PLC. Procesos secuenciales.- Es bien conocido que cuando una actividad que se repite una gran cantidad de veces durante cierto intervalo de tiempo, se convierte en una actividad monótona para el hombre, produciendo en determinado momento fatiga del tipo emocional, provocando la desconcentración y la inducción involuntaria de errores que pueden ser fatales, tanto para la integridad del hombre como para las instalaciones. Con un PLC se puede evitar lo anterior con tan solo implementar secuencias de control, que aunque se repitan muchas veces durante el día, no se perderá la precisión con la que tienen que hacerse. Actuadores distintos en un mismo proceso industrial.- Con un solo PLC se cuenta con la posibilidad de manipular actuadores de diferente naturaleza entre sí, y todavía más, con un mismo PLC se pueden dirigir diferentes líneas de producción en las que cada una tiene asignada a sus propios actuadores, esto último depende de la cantidad de salidas y en general del tamaño en cuanto a su capacidad para alojar el programa de usuario. Verificación de las distintas partes del proceso de forma centralizada.- Existe una gran cantidad de industrias en que la planta de producción se encuentra alejada de la sala de control, o también por ejemplo, como es en las plantas petroleras, se tiene la necesidad de verificar la operación a distancia de todas las refinerías. Con un PLC se tiene de manera natural el diseño de redes de comunicación, para que se canalice la información a una central desde la cual se pueda observar a distancia como se encuentra operando el sistema de control automático, y se visualice por medio de monitores la representación gráfica tanto de los sensores como de los actuadores.


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Figura 4.2.1 Lugares en donde puede instalarse un PLC

4.2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN EL EMPLEO DE LOS PLC Para aquellas personas que comienzan a adentrarse en el mundo de los PLC, es oportuno darles la información de lo bueno y lo malo de los PLC, para que de esta manera se cuente con todos los elementos a la hora de seleccionar el sistema de control más conveniente.

Cabe aclarar que aunque se puede automatizar cualquier proceso con un PLC, no se debe de caer en la tentación de convertirlo en la panacea para solucionar todos los problemas que se nos puedan presentar, por ejemplo, si queremos controlar el llenado del tinaco de agua que tenemos instalado en nuestra casa, el empleo de un PLC para realizar esta actividad seria un desperdicio tecnológico además de representar un costo muy alto para una tarea muy sencilla.

La utilización de un PLC debe ser justificada para efectos de optimizar sobre todo los recursos económicos que en nuestros días son muy importantes y escasos. A continuación se enlistan las ventajas y desventajas que trae consigo el empleo de un PLC.

Ventajas Control más preciso. Mayor rapidez de respuesta. Flexibilidad Control de procesos complejos. Facilidad de programación. Seguridad en el proceso. Empleo de poco espacio.


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Fácil instalación. Menos consumo de energía. Mejor monitoreo del funcionamiento. Menor mantenimiento. Detección rápida de averías y tiempos muertos. Menor tiempo en la elaboración de proyectos. Posibilidad de añadir modificaciones sin elevar costos. Menor costo de instalación, operación y mantenimiento. Posibilidad de gobernar varios actuadores con el mismo autómata.

Desventajas Mano de obra especializada. Centraliza el proceso. Condiciones ambientales apropiadas. Mayor costo para controlar tareas muy pequeñas o sencillas.

4.2.3 CRITERIOS PARA SELECCIONAR UN PLC Aunque no se trata de dar una receta de cocina, a continuación se sugieren cuales son algunos de los aspectos más importantes que deberían de tomarse en cuenta para elegir uno de los tantos PLC que existen en el mercado.

Precio de acuerdo a su función (barato – caro, inseguro – seguro, desprotegido – protegido, austero – completo). Cantidad de entradas / salidas, y si estas son analógicas ó digitales y sus rangos de operación. Cantidad de programas que puede manejar. Cantidad de programas que puede ejecutar al mismo tiempo (multitarea). Cantidad de contadores, temporizadores, banderas y registros. Lenguajes de programación. Software especializado para cada modelo de PLC y su facilidad de manejo.


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Software para programación desde la PC y necesidad de tarjeta de interfase. Capacidad de realizar conexión en red de varios PLC. Respaldo de la compañía fabricante del PLC en nuestra localidad. Servicio y refacciones Capacitación profesional sobre el sistema de control. Literatura en nuestro idioma.

Todos los criterios observados anteriormente se van haciendo obvios conforme avanzamos en cuanto a nuestra experiencia en el manejo de los PLC, por lo que aquí hago una atenta invitación a que no dé marcha atrás en el aprendizaje de este sistema de control, ya que aparte de ser todo un universo muy interesante, es de fácil comprensión el programar un PLC tal como se observará y comprobará en los capítulos sucesivos.

4.3 ARQUITECTURA DE UN PLC Y SUS SEÑALES

Para describir las partes que integran a un PLC es imperante definir que todo sistema de control automático posee tres etapas que le son inherentes e imprescindibles, estas son:

Etapa de acondicionamiento de señales.- Esta integrada por toda la serie de sensores que convierten una variable física determinada a una señal eléctrica, interpretándose esta como la información del sistema de control.

Etapa de control.- Es en donde se tiene la información para poder llevar a cabo una secuencia de pasos, dicho de otra manera, es el elemento de gobierno.

Etapa de potencia.- Sirve para efectuar un trabajo que siempre se manifiesta por medio de la transformación de un tipo de energía a otro tipo.

La unión de las tres etapas nos da como resultado el contar con un sistema de control automático completo, pero se debe considerar que se requiere de interfaces entre las conexiones de cada etapa, para que el flujo de información circule de forma segura entre estas.

Los sistemas de control pueden concebirse bajo dos opciones de configuración:


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Sistema de control de lazo abierto.- Es cuando el sistema de control tiene implementado los algoritmos correspondientes para que en función de las señales de entrada se genere una respuesta considerando los márgenes de error que pueden representarse hacia las señales de salida. Sistema de control de lazo cerrado.- Es cuando se tiene un sistema de control que responde a las señales de entrada, y a una proporción de la señal de salida para de esta manera corregir el posible error que se pudiera inducir, en este sistema de control la retroalimentación es un parámetro muy importante ya que la variable física que se está controlando se mantendrá siempre dentro de los rangos establecidos.

Figura 4.3.1 Sistema de control de lazo abierto

Figura 4.3.2 Sistema de control de lazo cerrado. Idealmente todos los sistemas de control deberían diseñarse bajo el concepto de lazo cerrado, porque la variable física que sé está interviniendo en todo momento se encuentra controlada, esta actividad se efectúa comparando el valor de salida contra el de entrada, pero en muchas ocasiones de acuerdo a la naturaleza propia del proceso productivo es imposible tener un sistema de control de lazo cerrado. Por ejemplo en una lavadora automática, la tarea de limpiar una prenda que en una de sus bolsas se encuentra el grabado del logotipo del diseñador de ropa, sería una mala decisión el implementar un lazo cerrado en el proceso de limpieza, porque la lavadora se encontraría comparando la tela ya lavada (señal de salida)


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contra la tela sucia (señal de entrada), y mientras el logotipo se encuentre presente la lavadora la consideraría como una mancha que no se quiere caer.

Figura 4.3.3 Partes Integrantes de un PLC. Revisando las partes que constituyen a un sistema de control de lazo abierto o lazo cerrado, prácticamente se tiene una similitud con respecto a las partes que integran a un PLC, por lo que cualquiera de los dos métodos de control puede ser implementado por medio de un PLC. Para comenzar a utilizar los términos que le son propios a un PLC, se observará que los elementos que conforman a los sistemas de control de lazo abierto y/o lazo cerrado, se encuentran englobados en las partes que conforman a un Control Lógico Programable y que son las siguientes: Unidad central de proceso. Módulos de entrada y salida de datos. Dispositivo de programación o terminal.

Figura 4.3.4 Control Lógico Programable (PLC).


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4.3.1 UNIDAD CENTRAL DE PROCESOS DE UN PLC Esta parte del PLC es considerada como la más importante, ya que dentro de ella se encuentra un microcontrolador que lee y ejecuta el programa de usuario que a su vez se localiza en una memoria (normalmente del tipo EEPROM), además de realizar la gestión de ordenar y organizar la comunicación entre las distintas partes que conforman al PLC.

El programa de usuario consiste en una serie de instrucciones que representan el proceso del control lógico que debe ejecutarse, para poder hacer este trabajo, la unidad central de proceso debe almacenar en localidades de memoria temporal las condiciones de las variables de entrada y variables de salida de datos más recientes.

La unidad central de proceso en esencia tiene la capacidad para realizar las mismas tareas que una computadora personal, porque como ya se menciono líneas atrás, en su interior se encuentra instalado un microcontrolador que es el encargado de gobernar todo el proceso de control.

Cuando se energiza un PLC, el microcontrolador apunta hacia el bloque de memoria tipo ROM donde se encuentra la información que le indica la manera de cómo debe predisponerse para comenzar sus operaciones de control (BIOS del PLC). Es en la ejecución de este pequeño programa (desarrollado por el fabricante del PLC) que se efectúa un proceso de diagnóstico que a través del cual, se sabe con que elementos periféricos a la unidad central de proceso se cuentan (módulos de entrada / salida por ejemplo), una vez concluido esta fase el PLC “sabe” si tiene un programa de usuario alojado en el bloque de memoria correspondiente, si es así por medio de un indicador avisa que esta en espera de la orden parea comenzar a ejecutarlo, de otra manera, también notifica que el bloque de memoria de usuario se encuentra vacío.

Figura 4.3.5 Distintos modelos de PLC.


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Figura 4.3.6 Diagrama de flujo de las actividades de un PLC

Una vez que el programa de usuario ha sido cargado en el bloque de memoria correspondiente del PLC, y se le ha indicado que comience a ejecutarlo, el microcontrolador se ubicará en la primera localidad de memoria del programa de usuario y procederá a leer, interpretar y ejecutar la primera instrucción.

Dependiendo de qué instrucción se trate será la acción que realice el microcontrolador, aunque de manera general las acciones que realiza son las siguientes: leer los datos de entrada que se generan en los sensores, guardar esta información en un bloque de memoria temporal, realizar alguna operación con los datos temporales, enviar la información resultante de las operaciones a otro bloque de memoria temporal, y por último la información procesada enviarla a las terminales de salida para manipular algún(os) actuador(es).


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Figura 4.3.7 Palabra de datos de entrada

En cuanto a los datos que entran y salen de la unidad central de proceso, se organizan en grupos de 8 valores, que corresponden a cada sensor que esté presente si se trata de datos de entrada, o actuadores si de datos de salida se refiere. Se escogen agrupamientos de 8 valores porque ese el número de bits que tienen los puertos de entrada y salida de datos del microcontrolador, a cada agrupamiento se le conoce con el nombre de byte ó palabra.

En cada ciclo de lectura de datos que se generan en los sensores, o escritura de datos hacia los actuadores, se gobiernan 8 diferentes sensores o actuadores, por lo que cada elemento de entrada / salida tiene su imagen en un bit del byte que se hace llegar al microcontrolador.

Figura 4.3.8 Palabra de datos de salida.


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En el proceso de lectura de datos provenientes de los sensores, se reservan localidades de memoria temporal que corresponden con el bit y la palabra que a su vez es un conjunto de 8 bits (byte), esto es para tener identificado en todo momento el estado en que se encuentra el sensor 5 por ejemplo.

Con los espacios de memoria temporal reservados para los datos de entrada, se generan paquetes de información que corresponden al reflejo de lo que están midiendo los sensores. Estos paquetes de datos cuando el microcontrolador da la indicación, son almacenados en la localidad de memoria que les corresponde, siendo esa información la que representa las últimas condiciones de las señales de entrada. Sí durante la ejecución del programa de control el microcontrolador requiere conocer las condiciones de entrada más recientes, de forma inmediata accede a la localidad de memoria que corresponde al estado de determinado sensor.

Figura 4.3.9 Flujo de datos de entrada y salida en el microcontrolador. El producto de la ejecución del programa de usuario depende de las condiciones de las señales de entrada, dicho de otra manera, el resultado de la ejecución de una instrucción puede tener una determinada respuesta sí una entrada en particular manifiesta un uno lógico, y otro resultado diferente sí esa entrada esta en cero lógico. La respuesta que trae consigo la ejecución de una instrucción se guarda en una sección de la memoria temporal, para que estos datos posteriormente sean recuperados, ya sea para exhibirlos o sean utilizados para otra parte del proceso. La información que se genera en los sensores se hace llegar al microcontrolador del PLC, a través de unos elementos que sirven para aislar la etapa del medio ambiente donde se encuentran los sensores, de la etapa de control que es comprendida por la unidad central de


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proceso del PLC y que en su interior se encuentra el microcontrolador. Los elementos de aislamiento reciben el nombre de módulos de entradas, los cuales se encuentran identificados y referenciados hacia los bloques de memoria temporal donde se alojan los datos de los sensores.

Figura 4.3.10 Ejemplo de base donde se insertan los módulos de entrada o salida . En cuanto a los datos que manipulan a los actuadores (también llamados datos de salida), estos se encuentran alojados en las localidades de memoria temporal que de manera exprofesa se reservan para tal información. Cuando en el proceso de ejecución de un programa de usuario se genera una respuesta y esta a su vez debe modificar la operación de un actuador, el dato se guarda en la localidad de memoria temporal correspondiente, tomando en cuenta que este dato representa un bit de información y que cada localidad de memoria tiene espacio para 8 bits. Una vez que los datos de salida han sido alojados en las localidades de memoria correspondiente, en un ciclo posterior el microcontrolador puede comunicarlos hacia el exterior del PLC, ya que cada bit que conforma un byte de datos de salida tiene un reflejo en cuanto a las conexiones físicas que tiene el PLC hacia los elementos de potencia o actuadores, o dicho de otra forma, al igual que en las terminales de los datos de entrada, cada una de las terminales que contienen la información de salida también tienen asociado un elemento de potencia conectado en su terminal correspondiente.

Figura 4.3.11 Ejemplo de base donde se insertan los módulos de entrada o salida y la UCP.


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A medida que el microcontrolador de la unidad central de proceso del PLC ejecuta las instrucciones del programa de usuario, el bloque de memoria temporal asignado a la salida de datos, sé está actualizando continuamente ya que las condiciones de salida muchas veces afectan el resultado que pueda traer consigo la ejecución de las instrucciones posteriores del programa de usuario. De acuerdo a la manera de cómo se manejan los datos de salida, se puede observar que esta información cumple con una doble actividad, siendo la primordial la de canalizar los resultados derivados de la ejecución de las instrucciones por parte del microcontrolador, hacia los bloques de memoria correspondientes, y pasar también los datos de salida a las terminales donde se encuentran conectados los actuadores. Otra función que se persigue es la de retroalimentar la información de salida hacia el microcontrolador de la unidad central de proceso del PLC, cuando alguna instrucción del programa de usuario lo requiera. En cuanto a los datos de entrada no tienen la doble función que poseen los datos de salida, ya que su misión estriba únicamente en adquirir información del medio ambiente a través de las terminales de entrada y hacerla llegar hacia el microcontrolador de la unidad central de proceso.

Figura 4.3.12 Ejemplo de CPU. Los datos de salida al igual que los de entrada, son guiados hacia los respectivos actuadores a través de elementos electrónicos que tienen la función de aislar y proteger al microcontrolador de la unidad central de proceso con la etapa de potencia, estos elementos reciben el nombre de módulos de salida. Tanto los módulos de entrada como de salida, tienen conexión directa hacia las terminales de los puertos de entrada y salida del microcontrolador del PLC, esta conexión se realiza a través de una base que en su interior cuenta con un bus de enlace que tiene asociado una serie de conectores que son los medios físicos en donde se insertan los módulos (ya sean de entrada o salida). El número total de módulos de entrada o salida que pueden agregarse al PLC depende de la cantidad de direcciones que el microcontrolador de la unidad central de proceso es capas de observar.


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Figura 4.3.13 Otro ejemplo de CPU De acuerdo con lo escrito en el párrafo anterior, cada dato (ya sea de entrada o salida) que es representado por un bit y que a su vez esta agrupado en bloques de 8 bits (palabra o byte), debe estar registrado e identificado para que el microcontrolador “sepa” si esta siendo ocupado por un sensor o un actuador, ya que determinado bit de específico byte y por ende de determinada ubicación de memoria temporal tiene su reflejo hacia las terminales físicas de los módulos. Esto último quiere decir que en los conectores de la base se pueden conectar de manera indistinta tanto los módulos de entrada como los módulos de salida, por lo que el flujo de información puede ser hacia el microcontrolador de la unidad central de proceso ó, en dirección contraria.

Con respecto a la memoria donde se aloja el programa de usuario es del tipo EEPROM, en la cual no se borra la información a menos que el usuario lo haga. La forma en como se guarda la información del programa de usuario en esta memoria es absolutamente igual que como se almacena en cualquier otro sistema digital, solo son “ceros y unos” lógicos. A medida que el usuario va ingresando las instrucciones del programa de control, automáticamente estas se van almacenando en localidades de memoria secuenciales, este proceso de almacenamiento secuencial de las instrucciones del programa es autocontrolado por el propio PLC, sin intervención y mucho menos arbitrio del usuario. La cantidad total de instrucciones en el programa de usuario puede variar de tamaño, todo depende del proceso a controlar, por ejemplo. Para controlar una maquina sencilla basta con una pequeña cantidad de instrucciones, pero para el control de un proceso o máquina complicada se requieren hasta varios miles de instrucciones.

Una vez terminada la tarea de la programación del PLC, esto es terminar de insertar el programa de control a la memoria de usuario, el operario del PLC manualmente se debe dar a


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la tarea de conmutar el PLC del modo de “programación” al modo de “ejecución”, lo que hace que la unidad central de proceso ejecute el programa de principio a fin repetidamente.

El lenguaje de programación del PLC cambia de acuerdo al fabricante del producto, y aunque se utilizan los mismos símbolos en distintos lenguajes de programación, la forma en cómo se crean y almacenan cambia de fabricante a fabricante, por lo tanto la manera de cómo se interpretan las instrucciones de un PLC a otro es diferente, todo depende de la marca.

En otro orden de ideas, a la unidad central de proceso de un PLC una vez que le fue cargado un programa de usuario, su operación de controlar un proceso de producción no debe detenerse a menos que un usuario autorizado así lo haga. Para que el PLC funcione de forma ininterrumpida se debe de contemplar el uso de energía de respaldo ya que está bajo ninguna circunstancia tiene que faltarle a la unidad central de proceso.

Figura 4.3.14 Módulo de alimentación La energía que alimenta al PLC se obtiene de un módulo de alimentación cuya misión es suministrar el voltaje que requiere tanto la unidad central de proceso como todos los módulos que posea el PLC, normalmente el módulo de alimentación se conecta a los suministros de voltajes de corriente alterna (VCA). El módulo de alimentación prácticamente es una fuente de alimentación regulada de voltaje de corriente directa, que tiene protecciones contra interferencias electromagnéticas, variaciones en el voltaje de corriente alterna, pero el aspecto más importante es que cuenta con baterías de respaldo para en caso de que falle el suministro de energía principal, entren en acción las baterías provocando de esta manera el trabajo continuo del PLC, a la vez que puede activarse una alarma para dar aviso en el momento justo que el suministro de energía principal a dejado de operar. Por último cabe aclarar que las


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baterías de respaldo descritas algunas líneas atrás únicamente soportan la operación del PLC, no así los elementos actuadores o de potencia.

4.4 MÓDULOS DE ENTRADA Y SALIDA DE DATOS Estos módulos se encargan del trabajo de intercomunicación entre los dispositivos industriales exteriores al PLC y todos los circuitos electrónicos de baja potencia que comprenden a la unidad central de proceso del PLC, que es donde se almacena y ejecuta el programa de control. Los módulos de entrada y salida tienen la misión de proteger y aislar la etapa de control que está conformada principalmente por el microcontrolador del PLC, de todos los elementos que se encuentran fuera de la unidad central de proceso ya sean sensores o actuadores. Los módulos de entrada y salida hacen las veces de dispositivos de interface, que entre sus tareas principales están las de adecuar los niveles eléctricos tanto de los sensores como de los actuadores o elementos de potencia, a los valores de voltaje que emplea el microcontrolador que normalmente se basa en niveles de la lógica TTL, 0 VCD equivale a un “0 lógico”, mientras que 5 VCD equivale a un “1 lógico”.

Figura 4.4 Ejemplos de Módulos de entrada y salida de datos.

Físicamente los módulos de entrada y salida de salida de datos, están construidos en tarjetas de circuitos impresos que contienen los dispositivos electrónicos capaces de aislar al PLC con el entorno exterior, además de contar con indicadores luminosos que informan de manera visual el estado que guardan las entradas y salidas.


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Figura 4.4.1 Ejemplos de Módulos de entrada y salida de datos. Para que los módulos de entrada o salida lleven a cabo la tarea de aislar eléctricamente al microcontrolador, se requiere que este no se tenga contacto físico con los bornes de conexión de ya sean de los sensores o actuadores, con las líneas de conexión que se hacen llegar a los puertos de entrada o salida del microcontrolador. La función de aislamiento radica básicamente en la utilización de un elemento opto electrónico también conocido como opto acoplador, a través del cual se evita el contacto físico de las líneas de conexión que están presentes en la circuitería, el dispositivo opto electrónico esta constituido de la siguiente manera. Internamente dentro de un encapsulado se encuentra un diodo emisor de luz (led) que genera un haz de luz infrarroja, y como complemento también junto al led infrarrojo se encuentra un fototransistor. Cuando el led infrarrojo es polarizado de forma directa entre sus terminales, este emite un haz de luz infrarroja que se hace llegar a la terminal base del fototransistor, el cual una vez que es excitada la terminal de la base hace que el fototransistor entre en estado de conducción, generándose una corriente eléctrica entre sus terminales emisor y colector, manifestando una operación similar a un interruptor cerrado. Por otra parte, si el led infrarrojo se polariza de manera inversa el haz de luz infrarroja se extingue, provocando a la vez que si en la termina base del fototransistor no recibe este haz de luz, no se genera corriente eléctrica entre sus terminales de emisor y colector, manifestando un funcionamiento semejante a un interruptor abierto.


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Figura 4.4.2 Opto acoplador por fototransistor. Ya que el haz de luz infrarroja es el único contacto que se tiene entre una etapa de potencia o lectura de sensores con la etapa de control, se tiene un medio de aislamiento perfecto que además es muy seguro y no se pierden los mandos que activan los actuadores o las señales que generaron los sensores. La dirección en el flujo de datos de los módulos depende si estos son de entrada ó de salida, lo que es común entre los módulos de entrada y salida son los bornes en donde se conectan físicamente ya sean los sensores o los actuadores, el número de bornes que puede tener un módulo depende del modelo de PLC ya que existen comercialmente módulos de 8, 16 ó 32 terminales. En los bornes de conexión de estos módulos de entrada o salida están conectadas las señales que generan los sensores ó las que manipularán los actuadores, que tienen como misión vigilar y manipulan el proceso que sé esta automatizado con el PLC.

Figura 4.4.3 Circuitería y bornes de conexión de los módulos.


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Existen distintos módulos de entrada y salida de datos, la diferencia principal depende de los distintos tipos de señales que estos manejan, esto quiere decir que se cuenta con módulos que manejan señales discretas o digitales, y módulos que manejan señales analógicas. A los módulos de entrada de datos se hacen llegar las señales que generan los sensores. Tomando en cuenta la variedad de sensores que pueden emplearse en un proceso de control industrial, existen dos tipos de módulos de entrada los cuales se describen a continuación. Módulos de entrada de datos discretos.- Estos responden tan solo a dos valores diferentes de una señal que puede generar el sensor. Las señales pueden ser las siguientes: a) El sensor manifiesta cierta cantidad de energía diferente de cero si detecta algo. b) Energía nula si no presenta detección de algo. Un ejemplo de sensor que se emplean en este tipo de módulo es el que se utiliza para detectar el final de carrera del vástago de un pistón. Para este tipo de módulos de entradas discretas, en uno de sus bornes se tiene que conectar de manera común una de las terminales de los sensores, para ello tenemos que ubicar cual es la terminal común de los módulos de entrada.

Figura 4.4.4 Fragmento de un módulo de salida de CD. Módulos de entrada de datos analógicos.- Otro tipo de módulo de entrada es el que en su circuitería contiene un convertidor analógico – digital (ADC), para que en función del sensor que tenga conectado, vaya interpretando las distintas magnitudes de la variable física que sé está midiendo y las digitalice, para que posteriormente estos datos sean transportados al


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microcontrolador del PLC. Un ejemplo de sensor que se emplean con este tipo de módulo es el que mide temperatura.

Figura 4.4.5 Fragmento de un módulo de salida de CA. A través de los módulos de salida de datos se hacen llegar las señales que controlan a los actuadores. Aquí también se debe de tomar en cuenta los distintos tipos de actuadores que pueden ser empleados en un proceso de control industrial. Existen dos tipos de módulos de salida los cuales se describen a continuación. Módulos de salida de datos discretos.- Estos transportan tan solo dos magnitudes diferentes de energía para manipular al actuador que le corresponde. Las magnitudes pueden ser las siguientes: a) Energía diferente de cero para activar al actuador. b) Energía nula para desactivar al actuador. Módulos de salida de datos analógicos.- Esta clasificación de modulo sirve para controlar la posición o magnitud de una variable física, por lo que estos módulos requieren de la operación de un convertidor digital – analógico (DAC).


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Figura 4.4.6 Fragmento de un módulo de entrada de CD y/o CA. Para las distintas clases de módulos ya sean de entrada o salida, se deben de tomar en cuenta los valores nominales de voltaje, corriente y potencia que soportan, ya que dependiendo de la aplicación y de la naturaleza del proceso que se tiene que automatizar, existen módulos de corriente directa y módulos de corriente alterna. Para encontrar el módulo adecuado se tiene que realizar una búsqueda en los manuales, y observar las características que reportan los distintos fabricantes existentes en el mercado. La forma en como se conoce popularmente a los módulos de entrada y salida es por medio de la siguiente denominación “Módulos de E/S”. Para seleccionar el módulo de E/S adecuado a las necesidades del proceso industrial, se tiene que dimensionar y cuantificar perfectamente el lugar donde se instalará un PLC. El resultado del análisis reportara el número de sensores y actuadores que son imprescindibles para que el PLC opere de acuerdo a lo planeado, por lo tanto ya se sabrá la cantidad de entradas y salidas que se requieren, y si por ejemplo se cuenta con 12 sensores y 10 actuadores, entonces se tiene que seleccionar un PLC que soporte por lo menos 22 E/S, posteriormente se examinara de que tipo serán los módulos de entrada y los módulos de salida y el número de terminales que deberán poseer. Se recordara que en una base donde se colocan los módulos de E/S, se pueden colocar indistintamente módulos de entrada o módulos de salida, por lo que para saber el tamaño del PLC en cuanto a los módulos que soporta, se tiene que realizar la suma total de los sensores y actuadores (cada uno representa una entrada o una salida), el resultado de la sumatoria representa el número de E/S que se necesita como mínimo en el tamaño de un PLC. Por otra parte cuando se dice que un PLC tiene capacidad para manejar 16 E/S, a este pueden colocársele módulos con 16 entradas, o en su defecto módulos con 16 salidas. Aquí es donde puede existir una confusión ya que en una determinada presunción podríamos aseverar que si


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el PLC soporta 16 entradas y además 16 salidas, entonces en general el PLC tiene la capacidad de controlar 32 E/S. Para evitar la confusión se debe tomar como regla que cuando se da la especificación de que un PLC sirve para manipular 16 E/S, esto quiere decir que en la combinación total de entradas y salidas que se le pueden agregar al PLC son 16 en total, no importando si son todas son salidas, ó si todas son entradas, ó 9 entradas y 7 salidas ó 3 entradas y 13 salidas, etc.

4.4.1 DISPOSITIVO DE PROGRAMACIÓN O TERMINAL EN UN PLC

Se trata de un elemento que aparentemente es complementario pero se emplea con mucha frecuencia en la operación de un PLC, ya que es un dispositivo por medio del cual se van accesando las instrucciones que componen al programa de usuario que realiza las acciones de control industrial. Algunos PLC están equipados con un dispositivo de programación que físicamente tiene el aspecto de una calculadora, y en su teclado se encuentran todos los símbolos que se emplean para la elaboración de un programa de control, además cuenta también con una pantalla de cristal líquido en el que se exhibe gráficamente la representación de la tecla que fue oprimida. Normalmente el dispositivo programador se encuentra dedicado exclusivamente a la tarea de generar los comandos e introducirlos al PLC (acto de programar), este elemento por obvias razones es construido por la misma compañía que fabrica el PLC, por lo cual tiene que ser el adecuado y poseer toda la capacidad de comunicar al usuario con el PLC.

Figura 4.4.7 Dispositivo de Programación de un PLC.

El dispositivo programador requiere de un cable por medio del cual se envían las instrucciones del programa a la memoria de usuario del PLC, el cable que casi todos los fabricantes de PLC emplean conduce los datos en una comunicación serial.


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Figura 4.4.8 Programación de un PLC.

De acuerdo con la evolución que día con día se va obteniendo en el ramo de la electrónica, se generó otra manera de programar un PLC de forma más versátil, y es por medio del empleo de una computadora de escritorio o portátil, la cual necesariamente debe de contar en una de sus ranuras de expansión con una tarjeta de interfaz de comunicación. A través de un cable de comunicación serial se interconecta la tarjeta de interfaz con el microcontrolador del PLC, y por medio de un software especial que a la vez resulta amigable al usuario se va escribiendo el programa de control, para su posterior interpretación y envío al PLC.

Figura 4.4.9 Programación de un PLC empleando una PC.

El empleo de una computadora personal cada vez cobra más auge ya que es muy fácil realizar la programación de un PLC, y en la actualidad no solo se genera el programa sino que también se puede simular antes de que se descargue el programa en la memoria del PLC, fomentando con esto una mayor productividad y un mejor desempeño al prácticamente eliminar los posibles errores tanto de sintaxis como el error lógico.

4.5 TIPOS DE SEÑALES DE UN PLC

Para que un PLC realice todas las acciones de control de un proceso industrial, es necesario que trabaje con diferentes tipos de señales eléctricas, que salvo la de alimentación de energía, todas las demás señales transportan alguna información que es requerida por el proceso de control industrial.


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Antes de trabajar con señales eléctricas primero debemos saber que son, por lo que a continuación se expresa como queda definida lo que es una señal eléctrica: “Es la representación en magnitudes de valores eléctricos de alguna información producida por un medio físico”.

El voltaje de corriente alterna que suministra la alimentación principal al módulo de alimentación del PLC, no se encuentra dentro del grupo de señales que transportan información, ya que su cometido principal es el de energizar todos los equipos. Una vez que el suministro de corriente alterna llega al módulo de alimentación del PLC, esta energía es convertida a un voltaje de corriente directa con los valores necesarios para energizar al microcontrolador y sus dispositivos auxiliares (5 VCD lógica TTL). Las señales que generan los sensores y que posteriormente llegan al microcontrolador del PLC por medio de los módulos de entrada, contienen la información de cómo se encuentran los parámetros físicos del proceso de producción, mientras que la señal que se hace llegar a los actuadores por la mediación de los módulos de salida, alberga la información de activación del elemento de potencia que modificará el valor de la variable física que también está presente en el proceso industrial. En general todas las señales consideradas de control, transportan información que es esencial para que el proceso de producción no se detenga y mantenga bajo niveles adecuados todos los parámetros físicos que se encuentran involucrados en la industria. Las señales eléctricas pueden tener ser de diversas formas y están clasificadas de muchas maneras, todo depende de la aplicación en donde tendrán injerencia, a grandes rasgos existen solo dos tipos de señales, las llamadas “analógicas ó continuas” y las llamadas “discretas ó discontinuas”. Una gran cantidad de sensores de variables físicas ofrece como resultado una señal de naturaleza analógica, como pueden ser los de temperatura, humedad, intensidad luminosa, presión, etc. Las señales analógicas son empleadas para representar un evento que se desarrolla de forma continua (de ahí su nombre), o para generar una referencia en cuanto a la ubicación de un punto en un lugar físico. Las características principales de las señales analógicas son: Alta potencia de transmisión. Transmisión a grandes distancias.


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Figura 4.5 Distintos tipos de señales analógicas. El elemento que proporciona el control de proceso de producción en un PLC es el microcontrolador, pues bien este trabaja con señales discretas ya que se puede establecer un lenguaje con el cual fácilmente se establecen los comandos para que todo el sistema automatizado responda de manera confiable. Las señales discretas son utilizadas para establecer una secuencia finita de instrucciones las cuales se basan en solo dos valores 0 (cero) y 1 (uno), por eso reciben el nombre de discretas ya que contienen poca información. Las características de estas señales son: Se pueden almacenar. Se pueden reproducir con toda fidelidad.

Figura 4.5.1 Distintos tipos de señales discretas.


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5. SENSORES Y PRINCIPIOS DE PROGRAMACION. 5.1 SENSORES Y ACTUADORES TIPICOS QUE SE EMPLEAN CON PLC’S Para poder automatizar cualquier proceso industrial, es necesario contar con una amplia gama de sensores que haciendo una analógica con el cuerpo de cualquier ser viviente, representarían sus sentidos, o dicho de otra manera, los sensores son los elementos que recogen la información del mundo exterior, y la hacen llegar al sistema del control automático.

Cuando se llega a la etapa de la selección de los sensores, es porque ya se ha realizado el correspondiente análisis de la línea o proceso que se tiene que automatizar, por lo tanto la fase de análisis tuvo que haber incluido la elaboración de los correspondientes esquemas o diagramas o planos de situación como el mostrado en la figura 5.1. Estos planos de situación son los elementos en donde se visualiza en donde deben instalarse, así como el tipo de sensor que de acuerdo con la variable física que va a medir, debe seleccionarse.

La variable física que tiene que medirse es el aspecto más importante a tomarse en cuenta, ya que este aspecto es el que marca el tipo de sensor que habrá de instalarse, para ello en la actualidad existe una amplia variedad de sensores que de manera específica pueden medir diferentes variables físicas, como pueden ser la temperatura, humedad relativa de la tierra, humedad relativa del medio ambiente, presión sobre una superficie, presión por calor, distancias longitudinales, presencia de materiales, colores, etc.

Figura 5.1 Plano de situación.


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Ahora bien, ya se sabe que variable física se tiene que medir, supongamos que sea la temperatura (es una de las variables que comúnmente se tienen que estar controlando), tenemos que saber que rango de temperatura se va a medir, ya que no es lo mismo controlar la temperatura ambiente de una habitación o recinto que la temperatura de una caldera, por otra parte dependiendo del proceso que vamos a automatizar, debemos tomar en cuenta la resolución de los cambios de la temperatura, esto es, no es lo mismo controlar una incubadora o invernadero en donde variaciones de hasta ¼ de grado centígrado tienen que registrarse, que controlar un crisol en donde se deposita el acero fundido que por lo menos debe estar a una temperatura promedio aproximadamente de 2000 °C, y en donde el registro de variaciones de 1°C no sirven para mucho.

De acuerdo a lo anterior nuevamente hacemos hincapié en la importancia que tiene la selección de los sensores, por lo tanto para ayudar con esta actividad comencemos a clasificar los distintos tipos de sensores que existen en el mercado.

Todos los sensores son una rama de los llamados transductores, que a su vez se trata de dispositivos que convierten la naturaleza de una variable física en otra, para que se entienda lo que es un transductor lo haremos por medio del siguiente ejemplo:

Figura 5.1.1 Termómetro de mercurio. Un termómetro de mercurio es un transductor que convierte el efecto de la temperatura en un movimiento que es provocado por la dilatación o contracción del mercurio, por lo tanto en un termómetro de mercurio se está convirtiendo la variable física representada por la temperatura, por otra variable física que es un movimiento mecánico. En cualquier proceso industrial podemos encontrar una gran variedad de transductores, pero no todos son útiles para emplearlos en un sistema de automatización por medio de un PLC, porque la naturaleza de la información que entreguen los transductores debe ser eléctrica, por lo tanto los transductores que debemos emplear en un proceso industrial automatizado por


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medio de un PLC, deben convertir cualquier variable física a una señal eléctrica. Estos transductores reciben el nombre de Sensores

5.2 SENSORES PARA UN PLC, AL DETALLE

Los sensores los podemos definir como dispositivos electrónicos que convierten una variable física a un correspondiente valor eléctrico, este valor eléctrico puede estar en términos de la corriente, voltaje o resistencia. Los sensores a su vez pertenecen a los elementos de entrada de datos de un sistema de control automático, por lo que la clasificación de los elementos de entrada queda como sigue:

Activadores Manuales Sensores

Los activadores manuales son elementos que se emplean para iniciar las actividades de un proceso de producción, o para detenerlo. Los activadores manuales son botones que pueden poseer contactos normalmente abiertos (N/A) o normalmente cerrados (N/C) o inclusive uno de cada uno. Estos botones pueden ser pulsadores tipo (push buton) o con interruptor que una vez que fueron activados requieren de una llave especial para poder desactivarlos. Los activadores manuales son elementos de entrada que generan una señal de tipo discreto, esto es se encuentra pulsado (“1 lógico”) o se encuentra en reposo (“0 lógico”).

Figura 5.2 Ejemplos de activadores manuales. Los activadores manuales son elementos indispensables que no pueden omitirse de los procesos industriales automatizados, porque siempre hace falta la intervención humana en por ejemplo al accionar por medio de un botón los mecanismos al inicio de la jornada laboral, o detener el proceso cuando algún suceso inesperado ocurra, o simplemente para detener los procesos porque se terminó la jornada laboral.


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Los siguientes elementos de entrada que describiremos son los denominados sensores, estos dispositivos se clasifican en dos categorías que son:

Clasificación de los sensores Discretos Analógicos

Los sensores discretos simplemente nos indican si se encuentran detectando algún objeto o no, esto es, generan un “1” lógico si detectan o un “0” lógico si no detectan, esta información es originada principalmente por presencia de voltaje o por ausencia de este, aunque en algunos casos la información nos la reportan por medio de un flujo de corriente eléctrica. Los sensores discretos pueden operar tanto con señales de voltajes de corriente directa (VCD) como con señales de voltajes de corriente alterna (VCA).

Los sensores analógicos pueden presentar como resultado un número infinito de valores, mismos que pueden representar las diferentes magnitudes que estén presentes de una variable física, por lo tanto en los sensores analógicos su trabajo se representa mediante rangos, por ejemplo, de 0V a 1.5V y dentro de este rango de posibles valores que puede adquirir la señal del sensor, está comprendido el rango de medición que le es permitido al sensor de medir una variable física. En los sensores analógicos la señal que entrega puede representarse mediante variaciones de una señal de voltaje o mediante variaciones de un valor resistivo.

SENSORES DISCRETOS

Sensores de presencia o final de carrera.- Estos sensores se basan en el uso de interruptores que pueden abrir o cerrar contactos, dependiendo de la aplicación que se les asigne, por ejemplo, cuando se utilizan como detectores de presencia, se encargan de indicar en que momento es colocado un objeto sobre este, y por medio de la presión que ejerce se presiona su interruptor, lo que permite que se haga llegar una cierta magnitud de voltaje al sistema de control (que en este caso se sugiere que sea un PLC), y obviamente cuando el objeto no se encuentra el voltaje que se reporta será de una magnitud igual a cero. Cuando estos sensores tienen la tarea de detectar un final de carrera o límite de área, es porque se encuentran trabajando en conjunto con un actuador que produce un desplazamiento mecánico, y por lo tanto cuando esa parte mecánica haya llegado a su límite se debe detener su recorrido, para no dañar alguna parte del proceso automático. Cuando el actuador se encuentra en su límite de desplazamiento permitido, acciona los contactos de un interruptor que bien los puede


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abrir o cerrar, en las figuras 2.4.4 y 2.4.5 se muestran ejemplos de los sensores de presencia y final de carrera respectivamente.

Figura 5.2.1 Sensor de Presencia

Figura 5.2.2 Sensores de final de carrera. Sensor Inductivo: Este tipo de sensor por su naturaleza de operación se dedica a detectar la presencia de metales. El sensor inductivo internamente posee un circuito electrónico que genera un campo magnético, el cual esta calibrado para medir una cierta cantidad de corriente eléctrica sin la presencia de metal alguno en el campo magnético, pero cuando se le acerca un metal, el campo magnético se altera provocando que la corriente que lo genera cambie de valor, lo que a su vez el sensor responde al sistema de control indicándole la presencia del metal. Una aplicación de este sensor es por ejemplo en las bandas transportadoras en donde van viajando una serie de materiales metálicos, como pueden ser latas y en los puntos donde se deben colocar estas latas, se instalan los sensores, y sin necesidad de un contacto físico el sensor reporta cuando una lata se encuentra en su cercanía.

Figura 5.2.3 Sensor Inductivo. Sensor Magnético: El sensor magnético se encarga de indicar cuando un campo magnético se encuentra presente cerca de él. El sensor magnético posee un circuito interno que responde cuando un campo magnético incide sobre este, este sensor puede ser desde un simple reed switch hasta un circuito más complejo que reporte por medio de un voltaje la presencia o no del campo magnético. La respuesta tiene que ser guiada hacia el sistema de control para su


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posterior procesamiento. Una aplicación de este tipo de sensores puede encontrarse en aquellos actuadores que pueden desplazarse linealmente, y a estos colocarles imanes en sus extremos, para que cuando lleguen al sensor magnético sea detectado el campo del imán y el actuador se detenga y ya no prosiga con su movimiento.

Figura 5.2.4 Sensor Magnético. Sensor Capacitivo: Este tipo de sensor tiene la misión de detectar aquellos materiales cuya constante dieléctrica sea mayor que la unidad (1). El sensor capacitivo basa su operación en el campo eléctrico que puede ser almacenado en un capacitor, el cual dependiendo del material dieléctrico la carga almacenada será muy grande o pequeña, teniendo como base la constante dieléctrica del aire que es igual que 1, cualquier otro material que puede ser plástico, vidrio, agua, cartón, etc, tienen una constante dieléctrica mayor que 1. Pues bien para detectar un material que no sea el aire, el sensor capacitivo tiene que ser ajustado para que sepa que material debe detectar. Un ejemplo para emplear este tipo de sensor es en una línea de producción en donde deben llenarse envases transparentes ya sean de vidrio o plástico, con algún líquido que inclusive puede ser transparente también.

Figura 5.2.5 Sensor Capacitivo Sensor Óptico: El sensor óptico genera una barrera a base de la emisión de un haz de luz infrarrojo, motivo por el cual este sensor se dedica a la detección de interferencias físicas o incluso a identificar colores y obtener distancias. Este sensor se basa en el uso de un diodo emisor de luz infrarroja, que por naturaleza del ojo humano no la podemos percibir, el diodo emisor envía el haz de luz y por medio de la reflexión, este haz de luz se hace regresar para


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ser captado por medio de un fotodiodo o fototransistor que es el que entrega una señal como respuesta a si existe el haz de luz infrarroja o no está presente. De la misma manera puede identificar colores, ya que la reflexión sobre una superficie puede ser total o parcial ya que los materiales pueden absorber el haz de luz infrarrojo, dependiendo del olor que tenga su superficie. Y para medir distancias se puede tomar el tiempo que tarda el haz de luz en regresar y por medio de una formula muy simple se puede calcular la distancia ya que v = d/t, en donde el tiempo lo podemos medir, y v es la velocidad a la que viaja la luz, por lo tanto se puede calcular la distancia d. La aplicación de este tipo de sensores puede ser muy amplia, ya que se puede utilizar como una barrera para que detecte el momento en que un operario introduce sus manos en un área peligrosa y pueda sufrir un accidente, o para detectar cuando el haz de luz se corta que un material lo atravesó cuando viajaba por sobre una banda transportadora entre otras aplicaciones.

Figura 5.2.6 Sensor Óptico SENSORES ANALÓGICOS Sensor de temperatura: Este es de los sensores más comunes que se emplean dentro de un proceso industrial, ya que por ejemplo en la industria alimenticia o metalúrgica o inyección de plásticos, etc. Se requiere de mantener los procesos ya sean de cocción ó fundición por ejemplo en sus niveles de temperatura adecuada, ahora bien, dependiendo del proceso que se está controlando, de los niveles de temperatura que se tienen que medir, y de la resolución se cuenta con un sensor adecuado a las características que posee el proceso. En este caso para medir la temperatura se cuenta con una gama amplia de sensores que realizan esta tarea, por lo que procederemos a describir los sensores de temperatura más comunes: RTD: Su nombre es el de Resistencias Detectoras de Temperatura (por sus siglas en ingles RTD), también llamadas resistencias metálicas, la característica principal de estos sensores es que poseen coeficiente positivo de temperatura (PTC), lo que significa que al incrementarse la


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temperatura que se está sensando se produce un aumento en la resistencia de los materiales que conforman al RTD. La respuesta que presentan estos sensores por lo general es de características lineales, esto es, cuando cambia el valor de la temperatura se refleja con un cambio proporcional del valor de resistencia. El rango de medición de temperatura se encuentra aproximadamente entre -200 °C y 400 °C. Este sensor requiere de un circuito de acoplamiento para hacer llegar su información al sistema de control.

Figura 5.2.7 RTD. Termistores: Su nombre es el de Resistencia Sensible a la Temperatura (por sus siglas en ingles Termistor), este tipo de sensor poseen tanto coeficiente positivo de temperatura (PTC) como coeficiente negativo de temperatura (NTC), lo que significa que al incrementarse la temperatura que se está sensando se produce un aumento en la resistencia de los materiales que conforman al termistor (PTC), mientras que en los NTC al incrementarse la temperatura se disminuye el valor de resistencia, y al decrementarse el valor de la temperatura se aumenta el valor de la temperatura. La respuesta que presentan estos sensores no es lineal, sino más bien es del tipo exponencial, esto significa que cuando cambia el valor de la temperatura se obtiene un cambio brusco de resistencia, por lo que este tipo de sensores es empleado para registrar cambios finos en la variable de la temperatura. El rango de medición de temperatura se encuentra aproximadamente entre -55 °C y 100 °C. Este sensor requiere de un circuito de acoplamiento para hacer llegar su información al sistema de control.

Figura 5.2.8 Termistor.


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Termopar: Este sensor debe su nombre debido al efecto que presenta la unión de 2 metales diferentes, esta unión genera una cierta cantidad de voltaje dependiendo de la temperatura que se encuentre presente en la unión de los 2 metales. La respuesta que presentan estos sensores se encuentra en términos de pequeñas magnitudes de voltaje (entre μV y mV) que tienen correspondencia directa con el valor de la temperatura que se esta midiendo y se puede considerar como una respuesta lineal. La característica principal de los termopares es que están diseñados para medir altas cantidades de temperatura, que pueden llegar inclusive al punto de fundición de los metales. El rango de medición de temperatura se encuentra aproximadamente entre -200 °C y 2000 °C. Este sensor requiere de un circuito de acoplamiento para hacer llegar su información al sistema de control.

Figura 5.2.9 Termopar. De Circuito Integrado: Estos sensores se emplean para ambientes que no son tan demandantes en cuanto a su modo de operación, esto es, que por ejemplo no tengan que medir la temperatura de una caldera, expuestos directamente a la flama. Los sensores de circuito integrado internamente poseen un circuito que se basa en la operación de un diodo, que a su vez es sensible a los efectos de la temperatura, estos sensibles nos entregan valores de voltaje que tienen una correspondencia directa con el valor de temperatura que están midiendo. La característica de estos sensores es que son muy exactos, además dependiendo de la matrícula y el fabricante, estos ya se encuentran calibrados tanto en °C como en °F ó °K. Estos sensores por lo general no requieren de un circuito de acoplamiento para hacer llegar su información al sistema de control.

Galgas extensiométricas: Estos sensores se puede decir que se adecuan para medir alguna variable dependiendo de la aplicación, porque su principio de operación se basa en el cambio del valor de resistencia que se produce al deformar la superficie de estos sensores. Claro que no pueden medir todas las variables, pero si las que se relacionan con la fuerza y cuya formula matemática es: f (fuerza) = m (masa) * a (aceleración)


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Por lo tanto dependiendo de cómo se coloque la galga extensiométricas se puede emplear para medir: la aceleración de un móvil, velocidad, presión o fuerza, peso (masa) entre las más características de las variables a medir. Las galgas extensiométricas son resistencias variables que cambian su valor dependiendo de la deformación que esté presente sobre estos sensores. Estos dispositivos son muy sensibles a los cambios físicos que existan sobre su superficie, y requieren de un circuito que adecue su respuesta y esta pueda ser enviada al circuito de control, para su posterior procesamiento.

Con toda la variedad de sensores tanto discretos como analógicos que han sido revisados en esta oportunidad, se han cubierto una buena cantidad de variables físicas que se pueden medir y cuantificar, de hecho se encuentran las más comunes, pero aun así falta tomar en cuenta más variables físicas como pueden ser las químicas (pH, CO2, etc.) o también los niveles de humedad ya sea relativa del medio ambiente, o de la tierra o dentro de algún proceso, y así podemos continuar enumerando variables físicas, pero para cada una de estas existe un sensor que adecuadamente reportara los niveles de su magnitud.

Por otra parte, todos los sensores que se encuentran inmersos dentro de los procesos industriales de una empresa se encuentran normalizados, esto es, que no importa la marca ni el fabricante de estos sensores, ya que todos deben cumplir con las distintas normas que rigen a los sistemas automáticos, y como ejemplo de estas normas se tienen las siguientes:

ANSI (Normas Americanas). DIN (Normas Europeas). ISO (Normas Internacionales). IEEE (Normas eléctricas y electrónicas). NOM (Normas Mexicanas).

Todas las normas establecen medidas de seguridad, niveles de voltaje, dimensiones físicas de los sensores, etc.

Por último se quiere recordar que los sensores son elementos importantes en el proceso de automatización, razón por la cual se deben seleccionar adecuadamente y posteriormente cuando se este diseñando el programa para el PLC que normalmente el que manejamos es el llamado lenguaje en escalera, representemos la actividad de los sensores mediante los símbolos.


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5.3 ACTUADORES EN UN PLC Los actuadores son elementos de potencia que deben poseer la energía suficiente para vencer a las variables físicas que se están controlando, y de esta manera poder manipularlas. Los actuadores dependiendo de la fuerza que se requiere se clasifican de acuerdo a lo siguiente: Clasificación de los actuadores Neumáticos Hidráulicos Eléctricos Electromagnéticos

Actuadores Neumáticos: Estos dispositivos pueden generar desplazamientos tanto lineales como giratorios, y son de los más empleados dentro de los procesos industriales, ya que se ubican en estaciones de trabajo que tienen que posicionar las distintas piezas para maquillar algún producto, o mover de una estación a otra los productos semiconstruidos y de esta manera seguir con el proceso que se trate.

Figura 5.3 Cilindros neumáticos con vástago y sin vástago Los actuadores neumáticos generan una fuerza fija que puede estar dentro del rango de hasta 25000 N (Newtons), por otra parte si se requiere controlar sus giros si se trata de un motor neumático se trata de una tarea imposible, pero como ventajas se tiene que se puede almacenar en un tanque aire comprimido y con este se puede trabajar. Los actuadores neumáticos requieren de válvulas de control para que se activen o desactiven los cilindros (para desplazamiento lineal) o los motores (movimiento circular).


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Figura 5.3.1 Válvula de control neumática. Los actuadores neumáticos entre otras características son muy limpios en cuanto a su modo de operación, ya que utilizan aire comprimido, razón por la cual se les emplea sobre todo en la industria alimenticia, y en aquellos procesos en donde se tienen ambientes muy explosivos, y que requieren de un ambiente limpio en general.

Figura 5.3.2 Motores neumáticos. Actuadores Hidráulicos: Estos dispositivos son similares a los neumáticos, pero su principal diferencia radica en la potencia que desarrollan al realizar su trabajo, ya que esta se encuentra por encima de los 25000 N (Newtons). Principalmente los encontramos en grúas o cilindros que tienen que desplazar linealmente grandes objetos que poseen pesos exorbitantes, y es aquí donde ningún elemento actuador puede reemplazar a los hidráulicos. Existen tanto cilindros como también motores hidráulicos, los cuales requieren de un aceite que es el que se desplaza por estructura y proporciona la fuerza de trabajo. El caudal del aceite es controlado por válvulas que son las que activan o desactivan a los elementos hidráulicos.

Figura 5.3.3 Motores hidráulicos.


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Actuadores Eléctricos: Estos dispositivos de potencia principalmente generan desplazamientos giratorios, y son empleados con mucha frecuencia dentro de los procesos industriales, ya sea para llenar un tanque con algún líquido, ó atornillar las piezas de un producto, ó proporcionarle movimiento a una banda transportadora, etc. Los actuadores eléctricos generan una fuerza fija que se encuentra por debajo del rango de 25000 N (Newtons), pero como ventaja principal se tiene la de poder controlar sus r.p.m. (revoluciones por minuto). Los actuadores eléctricos requieren de elementos contactores para que abran ó cierren la conexión de la energía eléctrica a sus terminales de alimentación (activar ó desactivar respectivamente). Se debe de tener en cuenta que estos actuadores son de naturaleza electromagnética, por lo que se deben de contemplar los respectivos dispositivos que filtren y eliminen la f.c.e.m que generan los motores cuando se desenergizan.

Figura 5.3.4 Motores eléctricos. Actuadores Electromagnéticos: Aquí nos referimos principalmente a los relevadores y no a los motores que ya fueron revisados en el apartado anterior. Ahora bien, los relés también se pueden considerar como dispositivos que hacen las funciones de interface entre la etapa de control (PLC) y la etapa de potencia, pero aunque así fuera, existen relés que llegan a demandar una cantidad importante de corriente eléctrica, motivo por el cual tienen que considerarse por si solos como elementos de potencia. Por lo que para energizar su bobina es necesario contemplar lo relacionado a cargas electromagnéticas para que su influencia no afecte el desempeño de todo el equipo de control automático.


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Figura 5.3.5 Relés. 5.4 CONOCIENDO EL LENGUAJE EN ESCALERA (LADDER) EN LOS PLCs. Para empezar a programar un PLC necesitamos conocer bajo qué ambiente de programación lo haremos. Normalmente ese ambiente de programación es gráfico, y se le conoce con el nombre de “Lenguaje en Escalera”, pero su título oficial es el de Diagrama de Contactos.

Cabe aclarar que existen diversos lenguajes de programación para los PLC, pero el llamado Lenguaje en Escalera es el más común y prácticamente todos los fabricantes de PLC lo incorporan como lenguaje básico de programación.

El Lenguaje en Escalera es el mismo para todos los modelos existentes de PLC, lo que cambia de fabricante a fabricante o de modelo a modelo es el microcontrolador que emplea, y por esta razón lo que difiere entre los PLC es la forma en que el software interpreta los símbolos de los contactos en Lenguaje en Escalera. El software de programación es el encargado de generar el código en ensamblador del microcontrolador que posee el PLC, por lo que si un fabricante de PLC emplea microcontroladores HC11 de motorola® o el Z80® o los PIC de microchip® o los AVR de atmel®, etc. Para cada PLC el código que se crea es diferente ya que por naturaleza propia los códigos de los microcontroladores son diferentes, aunque el Lenguaje en Escalera sea el mismo para todos los PLC.


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Figura 5.4 Lenguaje en Escalera de un PLC

En esta oportunidad describiremos ampliamente la utilización del software de programación de nuestro PLC, y aunque ya se mencionó en líneas anteriores que el código que se genera es diferente entre varias marcas de PLC el lenguaje en escalera es el mismo para todos, y al final de cuentas eso es lo que nos interesa para programar un PLC.

Se puede utilizar cualquier modelo de PLC, inclusive el fabricado por cualquier fabricante, esto quiere decir que dependiendo del PLC seleccionado, puede tener inclusive desde 6 entradas y 6 salidas. Pero de momento este aspecto no es el importante, ya que el Lenguaje Escalera es funcional para cualquier PLC, y por lo tanto solo debemos tomar en cuenta la cantidad de entradas y salidas que posea el PLC.

Para que todos los alumnos puedan poner en práctica lo aprendido, en cuanto al tema de los PLC, Cinda Software les pone a su disposición un software para PLC (con simulador) que tiene como características importantes, la de poseer la misma capacidad de trabajo que cualquiera de marca reconocida (en esta misma categoría claro está) llámese Allen Bradley ó Siemens por ejemplo. y además el software lo encontramos en nuestro idioma, esto es, en español.

Para programar el PLC (en nuestro caso podemos simularlo) con una aplicación industrial ó con un programa de prueba como los que estaremos desarrollando en esta serie de ejemplos, la primer acción que tenemos que realizar es abrir el software de programación llamado “MiPlc”


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que previamente tuvo que ser instalado (o descomprimido), este programa lo pueden descargar en http://www.instrumentacionycontrol.net/Descargas/Cinda_MiPLC.zip.

Figura 5.4.1 Icono de acceso rápido en el escritorio de la pc

Una vez que hacemos doble clic sobre el icono del software de programación MiPlc aparece una ventana de bienvenida en la cual se observan los datos de la empresa fabricante del PLC, sus correos electrónicos y números de teléfono por si gustan contactarlos directamente, para ingresar al programa se debe oprimir sobre el cuadro llamado OK.

Figura 5.4.2 Ventana de Bienvenida.

Ya dentro del programa del PLC tenemos que dirigirnos al menú de herramientas y seleccionar el que se llama Puerto Serie, como paso siguiente se tiene que seleccionar la opción de Configurar Puerto, tal como se ilustra en la figura 5.4.3 La acción anterior provocara que se abra la ventana etiquetada como setup, en la cual configuramos las características de la


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comunicación serial que se establecerá entre el PLC y la computadora, por lo que normalmente se dejan los datos que se ilustran en la figura 2.5.4, y cuando ya tenemos ingresados estos datos oprimimos con el apuntador del ratón sobre el botón OK, lo que provocara que se abra el canal de comunicación serial. Podemos decir con toda seguridad que el software de nuestro PLC ya ha sido configurado adecuadamente para que este pueda operar, por lo tanto lo que sigue es ingresar los símbolos correspondientes al programa.

Figura 5.4.3 Configuración del puerto serie.

En la figura 5.4.5 se observa la imagen del software de programación de PLC en donde se identifican las partes que lo componen y son las siguientes: menú de herramientas, botones de acceso rápido, los menús específicos de trabajo y el estado de la actividad existente entre el PLC y la computadora.

Figura 5.4.4 Datos para configurar el puerto serie.

Como primer paso para comenzar con un programa se tiene que crear un nuevo proyecto, por lo que nos dirigimos al menú Proyecto, y posteriormente al comando Nuevo, tal como se ilustra en la figura 5.4.6


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Figura 5.4.5 Partes del programa del PLC.

Una vez que se abrió un nuevo escalón estamos en posibilidad de comenzar a insertar los símbolos correspondientes al lenguaje en escalera para formar nuestro programa. Por lo que ahora seleccionamos el menú específico de trabajo denominado “Elementos”, ya que en esa sección se tienen los símbolos que representan las operaciones que el programa tiene que ir interpretando, a continuación iremos describiendo símbolo por símbolo:

Figura 5.4.6 Creando un nuevo proyecto.


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Figura 5.4.7 Primer escalón.

El primer conjunto de símbolos corresponde a variables de señales de entrada, estas se denominan como contacto normalmente abierto (N.A.) y contacto normalmente cerrado (N.C), y su función principal es la de informar al PLC el estado lógico en que se encuentran las variables físicas que son captadas a través de sensores, y al igual que los contactos de un relevador, cuando este se encuentra desenergizado el contacto N.A. se encuentra abierto, mientras que el contacto N.C. se encuentra cerrado, y cuando se activan el contacto N.A. se cierra y el contacto N.C. se abre, o dicho en otra palabras existe un cambio de estado cuando los contactos son manipulados.

Figura 5.4.8 Variables de entrada.


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Estos contactos constituyen las “CONDICIONES” que sirven para generar la lógica de programación del PLC, ya que es a través de estos que se implementan las funciones lógicas que el programa de control de algún proceso industrial utiliza. Para insertar alguno de estos símbolos basta con seleccionarlo con el apuntador del ratón y darle clic con el botón izquierdo, esta acción provocará que se abra una ventana preguntando qué tipo de entrada es, por lo que aquí seleccionaremos si se trata de una entrada a través de los bornes de conexión (entrada física) o se trata de una entrada interna (estado generado por alguna operación interna del PLC). Una vez seleccionado el tipo de entrada tendremos que decirle de donde leerá la información por lo que tenemos que seleccionar el origen de la entrada (ya sea física o interna) y por último asignarle una etiqueta que corresponda con la información que está leyendo.

Figura 5.4.9 Configuración de las entradas. El segundo conjunto de símbolos corresponde a variables de salida las que a su vez activaran elementos de potencia, mismos que pueden ser motores de CD o de CA, calefactores, pistones, lámparas, etc. Los símbolos que se emplean para representar a las salidas en el lenguaje en escalera, tienen el mismo significado que en un diagrama eléctrico tiene la bobina de un relevador, y lo mismo que sucede con uno real para que se energice se tienen que cumplir ciertas condiciones lógicas previas, así sea el accionamiento de un botón. Los símbolos que activan a las salidas constituyen las “ACCIONES” que todo proceso industrial debe efectuar, esto es para modificar las variables físicas que se encuentran interviniendo en cualquier línea de producción. Las salidas dependiendo de cómo se lleve a cabo su manejo de memoria, reciben los nombres de salida momentánea o salida memorizada.


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Figura 5.4.10 Variables de salida. La salida momentánea nos representa un estado lógico que hará encender o apagar cualquier elemento actuador, esta salida se caracteriza por el modo de operación que nos dice que para tener un “1” lógico a la salida es requisito indispensable el que las CONDICIONES que prevalecen a la entrada se mantengan todo el tiempo que sea necesario para que ese “1” lógico exista, de cualquier otra forma lo que se tendrá es un “0” lógico a la salida. La salida memorizada contiene de manera implícita una memoria, la cual es de mucha utilidad para mantener el estado de “1” lógico durante todo el periodo de tiempo que el proceso así lo requiera, y lo único que se tiene que hacer es activar la salida con memoria, cuando se activa la salida memorizada no importa que cambien las CONDICIONES, el estado de “1” lógico no se modifica. Ahora bien, cuando sea necesario que se tenga que cancelar la memoria o también se puede expresar que se apagará la salida, o se llevará al estado de “0” lógico, lo que se tiene que realizar es accionar la desactivación correspondiente.

Figura 5.4.11 Configuración de las salidas.


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Cuando se utiliza una salida se tienen dos posibilidades de configurarla, un tipo de salida es como externa por lo que la definiremos como salida, y para ello le indicaremos a que terminal física del bornero de conexión está reflejándose su actividad. El segundo tipo de salida es considerada como interna y se denomina como marca, y lo que representa es que esta marca es una condición interna del programa de control que no tiene reflejo hacia algún elemento actuador. Cabe mencionar que para el programa del PLC que empleamos en Saber Electrónica, se permite tener tan solo un diferente símbolo de salida, y si requerimos más de uno, se necesita abrir tantos escalones como salidas tengamos en nuestro proceso. El tercer conjunto de símbolos está compuesto por uno solo y se trata del temporizador, el cual es una herramienta que tiene la función de activar el conteo de un intervalo de tiempo que tiene como base 1 segundo, el tiempo máximo que se puede fijar es el de 255 segundos. El temporizador es una gran ayuda sobre todo cuando se pretende establecer una condición de seguridad para el operador, por ejemplo, cuando haya transcurrido un tiempo de algunos segundos sin que exista respuesta alguna, entonces el accionamiento de los botones de control no responderán sino hasta que el proceso se restablezca. El temporizador una vez que es activado comienza a cuantificar el tiempo de forma descendente, y cuando llega a 0 segundos origina una salida interna con el estado de 1 lógico, cancelándose esta salida cuando se restablece el temporizador.

Figura 5.4.12 Elección del Temporizador. El cuarto conjunto de símbolos sirven para utilizar la herramienta que tiene la función de contar de eventos, a este contador se le tiene que fijar cual es el valor máximo al que tiene que llegar que dependiendo del PLC, pero normalmente para controlar el proceso de llenado de una caja con productos no se requieren de valores muy altos. Una vez que fue activado y llega a su conteo máximo, se origina una salida interna con el estado de 1 lógico avisando que ha llegado al valor de conteo prefijado, para colocar en 0 lógico la salida interna del contador, este se debe de restablecer para poder comenzar con un nuevo proceso de conteo.


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Figura 5.4.13 Símbolos del contador. El quinto conjunto de símbolos está integrado por dos herramientas, una que sirve para diseñar funciones que operen a manera de subrutinas y otra que sirve para saltar un escalón, que es lo mismo que inhabilitarlo. Las subrutinas se emplean cuando en el desarrollo de nuestra aplicación, existen condiciones que se repiten más de una vez, y si las ingresamos en cada escalón diferente nos llevaría a incrementar enormemente nuestro programa, razón por la cual para simplificarlo se diseña una función que internamente contenga toda la lógica de control que se repite constantemente y posteriormente solo se llama y ya no se ingresan todos los símbolos La segunda herramienta que sirve para saltar un escalón se emplea cuando dependiendo del contexto del programa de control lógico, cuando una condición se lleva a cabo conlleva el seleccionar uno de dos o más caminos, por lo que se selecciona el adecuado y se eliminan los demás.

Figura 5.4.14 Llamadas de funciones.


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El sexto y último conjunto de símbolos sirve para realizar bifurcaciones cuando se están ingresando los contactos ya sean N.A. o N.C. Estos símbolos sirven para abrir una rama y también para cerrarla.

Figura 5.4.15 Herramientas para abrir y cerrar una rama. Una vez que hayamos ingresado todos los símbolos de nuestro programa en lenguaje en escalera, es recomendable antes de programar al PLC simular las funciones lógicas y tener la certeza de que nuestra lógica funciona por lo que hacemos uso de la tecla de acceso rápido correspondiente, como respuesta de la acción anterior se provocara que una ventana se abra visualizando ahí el estado que guardan todas las entradas, salidas, temporizadores, contadores, etc.

Figura 5.4.16 Ventana de simulación.


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Para realizar la simulación de nuestro programa tenemos que ir manipulando en el recuadro correspondiente las condiciones, o sea las entradas y tan solo basta con que coloquemos el apuntador del ratón y oprimamos el botón izquierdo del mismo para cambiar el estado lógico que contenía.

Figura 5.4.17 Herramienta para descargar el código al PLC. Cuando se ha simulado el programa y este ejecuta todas las condiciones lógicas que le programamos, ya estamos en posibilidad de cargar el programa al PLC, por lo que ahora conectamos el cable de programación tanto al puerto serie de la computadora como a la terminal correspondiente del PLC, y para ello hacemos uso del botón de acceso rápido. Pues bien, aquí sé a descrito lo que corresponde al ambiente gráfico del programa de nuestro PLC, y aunque no posea algún PLC, basta con el software para practicar ya que este contiene un simulador. Por otra parte, también es digno de mencionarse que si en un futuro pretenden programar un PLC de ora marca y con otras características, no existe el mayor problema ya que al aprender el lenguaje en escalera, prácticamente están aprendiendo a programar cualquier PLC, esto porque el lenguaje en escalera es universal para todos. 5.5 FUNCIONES LÓGICAS DE UN PLC

Para programar un PLC es necesario el empleo de un lenguaje especifico el cual por lo general solo entiende éste. El lenguaje de programación de cada PLC cambia de acuerdo al creador del producto, y aunque se utilizan los mismos símbolos en los distinto lenguajes, la forma en


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como se crean y almacenan cambia de fabricante a fabricante, por lo tanto la manera de como se interpretan las instrucciones por medio de un PLC es diferente, dependiendo de la marca.

Existen comercialmente tres lenguajes que la mayoría de los fabricantes de los PLC ponen a disposición de los usuarios, estos lenguajes son: Diagrama de Contactos también conocido como Lenguaje en Escalera. Listado de Instrucciones Diagramas de Funciones En primera instancia se hará una descripción del Lenguaje en Escalera. Este lenguaje es una representación gráfica que por medio de software se implementan tanto los contactos físicos que posee un relé (Variables de Entrada), así como también las bobinas (Variables de Salida) que lo constituyen, las actividades que realizan estas representaciones se materializan a través de las líneas de entrada y salida del PLC. En el Lenguaje en Escalera son muy bastos los símbolos empleados, pero como introducción en primer término explicaremos los símbolos que relacionan las entradas con las salidas. Los elementos básicos correspondientes a las entradas, son los que a continuación se muestran: Contacto normalmente abierto Contacto normalmente cerrado

Contacto normalmente abierto (NA) Este tiene la misma función de un botón real, el cual cuando no es accionado se reposiciona automáticamente a su estado natural que es encontrarse abierto o desconectado, ver figura 5.5. En otras palabras cuando el usuario presiona el interruptor hace que exista una unión entre los dos contactos internos que tiene el botón, cambiando su estado lógico de abierto (desconectado) a cerrado (conectado), ver figura 2.6.2.

Figura 5.5 Interruptor con contacto normalmente abierto en reposo.


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Figura 5.5.1 Interruptor con contacto normalmente abierto activado. Contacto normalmente cerrado (NC) Igualmente funciona como un botón real, pero de manera inversa al contacto normalmente abierto, esto es que cuando no es accionado se reposiciona automáticamente a su estado natural que es el encontrarse cerrado o conectado, ver figura 5.5.2. Cuando el usuario presiona el interruptor abre la unión que existe entre los dos contactos internos del botón, cambiando su estado lógico de cerrado (conectado) a abierto (desconectado), ver figura 5.5.3.

Figura 5.5.2 Interruptor con contacto normalmente cerrado en reposo.

Figura 5.5.3 Interruptor con contacto normalmente abierto activado. De acuerdo a la convención establecida por los fabricantes de los PLC se sabe que la correspondencia que tienen los estados lógicos cerrado y abierto con los dígitos binarios “0” y “1” es la siguiente:


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Abierto equivale a “0” lógico Cerrado equivale a “1” lógico Ya que conocemos los símbolos básicos correspondientes a las entradas en el Lenguaje en Escalera, debemos de encontrar la manera de obtener una respuesta en base a nuestras entradas. La solución la hallamos en el mismo Lenguaje en Escalera, ya que para representar una salida se emplea el símbolo el cual tiene una función similar a la de una bobina en un relevador, la cual una vez energizada provoca un cambio de estado en el (los) interruptor(es) que se encuentran bajo su influencia. Para programar un PLC, primeramente se deben tener contempladas las entradas y las salidas totales que estarán interactuando en el sistema que se va a automatizar, posteriormente es necesario plantear el procedimiento mediante el cual se relacionaran las entradas con las salidas de acuerdo a las respuestas que se esperan del sistema. Una herramienta que se emplea frecuentemente para programar un PLC son las Tablas de Verdad, ya que en estas se observa la respuesta que debe emitir el PLC en función de las combinaciones de los estados lógicos de las entradas. La combinación generada por la forma en como se conecten las variables de entrada da origen a funciones lógicas estandarizadas como por ejemplo: AND, OR, INVERSOR, etc. Tanto las funciones lógicas mencionadas en el párrafo anterior como todas las que faltan tienen asociado un símbolo por medio del cual se identifican en el área de la electrónica, cabe aclarar que en esta área estas funciones son llamadas por su nombre en inglés, por lo tanto así nos referiremos a ellas. Cuando se utiliza el Lenguaje en Escalera para programar un PLC no se emplean los símbolos de las funciones lógicas por lo tanto debemos ser capaces de implementarlas utilizando las variables de entrada y salida que de acuerdo a cierto arreglo se comportaran como las funciones lógicas: AND, OR, INVERSOR, NOR, etc. Existen tres funciones lógicas a partir de las cuales se generan todas éstas las cuales son: AND, OR e INVERSOR. Por lo que a continuación se explicara cómo se implementan con el Lenguaje en Escalera, así como su comportamiento. FUNCIÓN LÓGICA AND (Y) La función lógica AND tendrá la salida activada (energizada) solo si ambos contactos (normalmente abiertos) tienen el nivel lógico de 1, en todos los otros casos la salida estará desactivada (desenergizada). Ver Figura 5.5.4, 5.5.5, 5.5.6 y 5.5.7.


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Figura 5.5.4 Función Lógica AND (Y) con las entradas A y B en “0”.

Figura 5.5.5 Función Lógica AND (Y) con entrada A en “0” y B en “1”.


Figura 5.5.7 Función Lógica AND (Y) con las entradas A y B en “1”. Nota: Los símbolos iluminados se encuentran activos. Las Figuras 5.5.4, 5.5.5, 5.5.6 y 5.5.7. Generan la siguiente tabla de verdad:

Función lógica AND (Y) A B Salida Figura 0 0 0 5.5.4 0 1 0 5.5.5 1 0 0 5.5.6 1 1 1 5.5.7 FUNCIÓN LÓGICA OR (O)

Con una función lógica OR la salida se presenta activada (energizada) si uno o todos sus contactos (normalmente abiertos) se encuentran en el estado de “1” lógico. En contraparte la


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salida se presentara desactivada (desenergizada) cuando todos los interruptores tienen un estado lógico “0”. Ver Figura 5.5.8, 5.5.9, 5.5.11 y 5.5.11.

Figura 5.5.8 Función Lógica OR (O) con las entradas A y B en “0”.



Figura 5.5.11 Función Lógica AND (Y) con las entradas A y B en “1”. La tabla de verdad que se desprende de las figuras 5.5.8, 5.5.9, 5.5.11 y 5.5.11. Es la siguiente:


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Función lógica OR (O) A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Salida 0 1 1 1

Figura 5.5.8 5.5.9 5.5.10 5.5.11

FUNCIÓN LÓGICA INVERSORA (NOT) La función lógica INVERSORA (NOT), a diferencia de las funciones AND y OR, solo requiere un contacto en la entrada, el cual debe ser normalmente cerrado. La salida se presenta activada (energizada) si el contacto se encuentra en el estado de 0 lógico, ver Figura 5.5.12. En contraparte la salida se presentara desactivada (desenergizada) cuando el interruptor tiene un estado lógico “1”, ver Figura 5.5.13. De acuerdo a lo explicado en el párrafo anterior se observa que la finalidad de esta función lógica es presentar en la salida el estado lógico del contacto de manera invertida.

Figura 5.5.12 Función Lógica Inversora (NOT) con las entrada A en “0”.

Figura 5.5.13 Función Lógica Inversora (NOT) con las entrada A en “1”. Las Figuras 5.5.12 y 5.5.13 se resumen en la tabla: Función Lógica Inversora (NOT) A 0 1

Salida 1 0

Figura 5.5.12 5.5.13


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FUNCIÓN LÓGICA NO INVERSORA La función lógica NO INVERSORA requiere de únicamente de un contacto el cual debe ser normalmente abierto. La salida es el reflejo del estado lógico en el que se encuentre el contacto, ver Figura 5.5.14 y 5.5.15

Figura 5.5.14 Función Lógica NO Inversora con la entrada A en “0”.

Figura 5.5.15 Función Lógica NO Inversora con la entrada A en “1”. La tabla de verdad de la función lógica NO INVERSORA es la que se presenta a continuación: Tabla 2.63 Función Lógica NO Inversora. A 0 1

Salida 0 1

Figura 5.5.14 5.5.15

6. PROGRAMACION DE PLCs. 6.1 PROGRAMACIÓN INTUITIVA DE UN PLC Los conceptos básicos que fueron tratados en el capítulo 5.5 (“Funciones Lógicas de un PLC”), nos proporcionan las herramientas necesarias para automatizar cualquier maquinaría del tipo industrial, ya que son los mínimos que se requieren para tal finalidad, y de ahí podemos partir para implementar procesos complejos. Con la finalidad de aplicar las rutinas básicas de programación de los PLC´s, modelaremos la máquina industrial, tal como la mostrada en la figura 6.1

Esta figura reporta los movimientos básicos de subir y bajar, la función del PLC es controlar estos movimientos con la finalidad de no forzar el motor de la maquinaría, pues en algunas ocasiones aunque la maquinaría haya alcanzado el límite de su desplazamiento, el motor tiende a seguir con su movimiento inercial.


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Figura 6.1 Maquina industrial a automatizar.

Comenzando con el proceso formal de automatizar una línea de producción, en primer lugar se debe elaborar un bosquejo del sistema que será automatizado con la finalidad de analizarlo en su totalidad y evitar así la omisión de detalles que desembocarían en errores en el funcionamiento.

Para fines didácticos es más sencillo utilizar un modelo basado en la realidad, que represente las condiciones de operación del sistema original (ya que no todos tenemos acceso a maquinaría o líneas de producción reales). Dicho modelo será de gran ayuda para realizar tanto el análisis como las pruebas necesarias. Para este fin utilizaremos un juguete armable de la figura 6.1.1, que busca emular los movimientos del sistema que se va a automatizar. El bosquejo de nuestro sistema es el que se muestra en la figura 6.1.2.

Figura 6.1.1 Modelado con un juguete armable de la maquina industrial.


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Figura 6.1.2 Bosquejo (plano de situación) de la maquina industrial. Del bosquejo de la figura 6.1.2 se observan cuatro elementos que son de entrada (dos sensores y dos botones) y un elemento que se debe de conectar a la salida (actuador). El elemento actuador para el caso del sistema real será un motor trifásico de VCA, en el cual para invertir su sentido de giro se intercambian las fases con las cuales es alimentado el motor. Para el caso del modelo que utilizaremos, la inversión del giro se hará de manera similar ya que en esta situación se contara con un motor de VCD el cual para cambiar su sentido de giro es necesario invertirle la polaridad como se muestra en la Figura 2.7.3. De acuerdo a lo dicho en las líneas anteriores (tanto para el motor de VCA como para el de VCD) el actuador requiere utilizar cuatro salidas del PLC.

Figura 6.1.3 Conexión del actuador en las terminales de salida del PLC. En la Figura 6.1.3 se muestra el diagrama de conexión de los contactos de salida, y para una mejor comprensión se iluminan con colores diferentes los “cables”, y por lo tanto, las líneas de conexión rojas se hacen llegar a la terminal positiva del motor, las líneas de conexión negras se relacionan a la terminal negativa del motor, las líneas de conexión verdes se colocan a la


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terminal positiva de la fuente de poder y finalmente las líneas de conexión azules se enlazan a la terminal negativa de la fuente de alimentación. Para contar con una identificación rigurosa de todos los elementos externos al PLC que pueden ser tantos sensores, actuadores como botones, se elabora una tabla de ellos asignándoles una etiqueta que los identifique incluyendo su descripción de una manera concisa. La distribución de las terminales de entrada y de salida del PLC se muestra en la tabla, ya relacionadas con los sensores y actuadores. Relación de terminales de salida y entrada del PLC. Contacto

Etiqueta

Descripción

E0

SenAb

Sensor de Abajo

E1

SenArr

Sensor de Arriba

E2

Inicio

Botón de Inicio

E3

Paro

Botón de Paro

S0

Arriba0

Hacia Arriba

S1

Abajo1

Hacia Arriba

S2

Abajo2

Hacia Abajo

S3

Abajo3

Hacia Abajo

Es necesario relacionar las etiquetas que se emplean en el desarrollo del programa con los correspondientes contactos físicos del PLC, los cuales pueden ser de entrada o de salida, por lo que de acuerdo con la tabla. se tiene para cada etiqueta un contacto del PLC, observe detenidamente la Figura 6.1.4

Figura 6.1.4 Diagrama de Conexión de los Contactos de Entrada.


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De la figura 6.1.4 observamos que cada switch ó cada salida representan un interruptor de un sensor ó botón, y que cada salida representa la activación de algún comando de control hacia un actuador, según sea el caso. En resumen, para implementar la solución necesaria se observa que de acuerdo a las características del sistema que será automatizado se requieren cuatro entradas (E0, E1, E2, E3) y cuatro salidas (S0, S1, S2, S3). La programación del PLC se implementa utilizando las etiquetas que representan tanto a las entradas como a las salidas, ordenadas de acuerdo a las funciones lógicas mediante el Lenguaje en Escalera, cuyas funciones básicas fueron descritas en el capitulo 5.5 “Funciones Lógicas de un PLC”. Para la elaboración del programa que controlara al PLC, existen diversos caminos, pero en esta ocasión abordaremos el “método” llamado Forma Intuitiva de Programación. Esta manera de diseñar el programa del PLC es la menos recomendable, ya que necesitamos poseer mucha experiencia, como para tener la visión de los aspectos que deben ser tomados en cuenta. Uno de los métodos de programación recomendables para programar un PLC es basado en la utilización de tablas de programación. De hecho invila Programación mediante la utilización de tablas el mejor camino para que adopten todos los programadores de PLC, ya que bajo este método se tienen contempladas todas las variables que influirán en el proceso de automatización. Regresando al tema que nos ocupa en el presenta capitulo, desarrollaremos un ejercicio en el cual recurriremos al método no recomendado (pero es útil a manera de ejemplo) que es el “intuitivo”, y que en esta ocasión por tratarse de un proceso sencillo no se requiere del empleo de una tabla de programación. El primer paso en la automatización es controlar el encendido del sistema, por lo que para que se registre el estado de encendido es necesario que el botón de Inicio (E2) haya sido activado Y que la Bandera de Paro “BanParo” (M1) NO este activada, para lo cual se usa un contacto normalmente abierto en E2 y uno normalmente cerrado para M1, ambos están relacionados mediante una función AND. Lo citado en este párrafo se resume en el primer escalón del programa en el Lenguaje en Escalera, vea la figura 6.1.5.


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Figura 6.1.5 Condiciones del escalón 1 del programa para el PLC. La bandera de paro “BanParo” (M1) fue creada como un registro que refleja la activación física del botón de Paro. En la figura 6.1.5 se observa que E2 esta conectado en forma paralela al contacto M0 que representa un estado de memoria temporal, esta condición es necesaria para mantener el estado de encendido del sistema, pues el operador presiona el botón de Inicio (E2) solo por un instante lo que provocaría que el sistema se encienda únicamente ese breve instante. Cabe aclarar que el contacto identificado como M0 es un reflejo de la activación de la Marca “BanInicio” (M0), y en adelante los contactos que sean empleados como elementos de memoria temporal cumplen con la tarea de conservar activa su Marca correspondiente. Una vez que fue activada la Bandera de Inicio (M0), como paso siguiente se establece la medida de seguridad que indica que la posición inicial del mecanismo es la inferior, por lo que ahora se debe fijar lo necesario para que se presente el movimiento hacia arriba por parte del mecanismo, de acuerdo a lo siguiente: inicialmente es indispensable asegurarnos que el sensor que detecta que el mecanismo se encuentra en la posición inferior “SenAb” (E0) este activado Y que el sensor que detecta que el mecanismo se encuentra en la posición superior “SenArr” (E1) no se encuentre accionado. Adicionalmente también debe estar activada la Bandera de Inicio (M0), y finalmente el botón de Paro (E3) no debe de estar accionado. Todas estas condiciones se establecen con una función AND. Ver Figura 6.1.6

Figura 6.1.6 Condiciones del escalón 2 del programa para el PLC.


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Cuando comienza a desplazarse el mecanismo hacia arriba deja de accionarse el sensor “SenAb” con lo que deja de cumplir la condición descrita en el párrafo anterior, lo que provocaría que el mecanismo se detenga, por ello es necesario desarrollar una función OR colocando la bandera Arriba0 (S0) paralelamente al ¨SenAb¨ como un registro de memoria manteniendo energizado el motor. Como se indica en la tabla anterior los contactos S0 y S1 deben estar energizados para que el actuador (motor) se dirija hacia la parte superior del mecanismo, cada una de las salidas S0 y S1 controlan de manera independiente tanto la polaridad positiva como la negativa del motor. Por lo tanto al activarse una (ya sea S0 o S1) debe activarse la otra, por lo que sugerimos colocar el mismo arreglo de contactos visto en la Figura 6.1.7

Figura 6.1.7 Condición del escalón 3 del programa para el PLC.

Al desplazarse hacia arriba el mecanismo llegara al límite superior del sistema lo que provocará que se active el ¨SenArr¨, indicando que el mecanismo ahora debe desplazarse hacia abajo. Para que esto suceda debemos asegurarnos que el sensor denominado “SenArr” (E1) se active, de la misma manera tenemos que corroborar que el sensor “SenAb” (E0) no se encuentre accionado. Igualmente debe de estar activada la Bandera de Inicio (M0) (Las condiciones anteriores se establecen con una función AND); O que el botón de Paro (E3) haya sido accionado. Esta ultima condición se agrega porque en el momento de accionar el botón de Paro el sistema debe desplazarse desde la posición en la que se encuentre hacia la parte inferior, debido a que como medida de seguridad el sistema debe iniciar en la posición inferior, así es que con la ayuda de una función OR indicaremos con el Lenguaje en Escalera que si el Botón de Paro esta energizado entonces se energice S2. Ver Figura 6.1.8.


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Figura 6.1.8 Condiciones del escalón 3 del programa para el PLC. En el instante en el que el mecanismo comienza a descender el sensor “SenArr” se desactiva con lo que se deja de cumplir la condición descrita en el párrafo anterior, originando que el mecanismo se detenga, por ello es necesario colocar la bandera Abajo2 (S2) en paralelo a “SenArr” como un registro de memoria para mantener energizado el motor, construyéndose una función OR.

De acuerdo a la Tabla para que el actuador descienda los contactos S2 y S3 deben estar energizados, que también de forma independiente controlan la conexión tanto de la polaridad positiva como de la negativa, pero de forma inversa a como lo hacen S0 y S1. El contacto correspondiente a S2 debe estar energizado bajo la misma situación que fue energizado S3 por lo tanto conviene colocar en base a una función AND la condición para que si S2 está energizado del mismo modo S3 lo esté. Ver figura 6.1.9.

Figura 6.1.9 Condición del escalón 4 del programa para el PLC. Finalmente, se deben establecer las condiciones necesarias para cesar el funcionamiento del mecanismo. Previamente debemos corroborar que el botón de Paro haya sido accionado Y que el sensor de la parte inferior “SenAb” no esté accionado, puesto que el actuador, como ya se ha mencionado, debe desplazarse hacia la posición inferior antes de desenergizarse por protección del operador. Lo anterior se resume en la Figura 6.1.10.


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Figura 6.1.10 Condiciones del escalón 5 del programa para el PLC. Con la finalidad de registrar la acción de apagar el sistema, se tiene que activar físicamente el botón de Paro (E3) y aunque el operador deje de presionarlo su actividad debe continuar por lo que se implementara un estado de memoria temporal conectando en forma paralela el contacto M1 con el contacto E3. Y por último la Bandera de Paro (M1) al haber sido activada, a su vez anulara la activación de la Bandera de Inicio (M0). .

Figura 6.1.11 Entorno Grafico del Software de programación del PLC.


Figura 6.1.12 Diagrama completo en Lenguaje Escalera del Ejercicio.

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6.2 PROGRAMACIÓN DE PLC MEDIANTE TABLAS

Para programar un PLC existen diversas maneras de hacerlo, y por ejemplo en el capitulo 2.7 abordamos la forma intuitiva de programación. En el presente capitulo abordaremos un método formal de programación de un PLC. Normalmente cuando ya se cuenta con un mínimo de experiencia, por lo general recurrimos al proceso de automatización de una maquinaria industrial de manera intuitiva, la cual no es la más recomendable, debido a que en sistemas que requieren de un gran número de entradas y de salidas es fácil pasar por alto alguna condición o detalle importante para el desempeño total del sistema.

Lo que se recomienda es implementar un método similar al empleado en el diseño de circuitos con compuertas lógicas, en donde se utilizan tablas de verdad constituidas por dos columnas: la primera presenta las combinaciones posibles de los estados lógicos de las entradas y la segunda las diferentes salidas a cada una de estas combinaciones. De manera similar el método propuesto muestra en una primera columna las diversas combinaciones de entradas, igualmente en la segunda columna se anotan las salidas que producen dichas entradas, la diferencia radica en la introducción de una tercera columna en la cual se enlistan los estados de los registros de memoria, observe la tabla Tabla de programación.

Empezaremos describiendo un ejemplo básico que se puede implementar mediante la tabla propuesta. El ejemplo consiste en encender una lámpara cuando sea presionado un botón, y se debe apagar cuando se suelte el botón. La tabla relacionada a dicho ejemplo se puede observar a continuación.


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Tabla del encendido de una lámpara con accionamiento momentáneo.

Cabe aclarar que existen dos tipos de accionamiento cuando se registra la activación de un botón externo: el accionamiento momentáneo y el accionamiento memorizado. En este ejemplo en particular utilizaremos el accionamiento momentáneo que consiste en un botón que al ser accionado activa el sistema, y al estar desactivado el sistema no presenta actividad. En contraparte el accionamiento memorizado mantiene accionado al sistema hasta que se recibe la orden de paro.

Para que podamos hacer uso de la Tabla anterior en primer término debemos conocer con cuantos elementos de entrada y de salida contamos, esto es con el fin de poder asignar las terminales físicas de entrada y salida del PLC, en este ejemplo contamos con un botón con reposicionamiento automático (push botton ) y una lámpara, por lo que el botón se considera como un elemento de entrada y se debe relacionar con una de las terminales de entrada con las que cuente el PLC.

La lámpara se clasifica como un elemento de salida por lo que se debe conectar a una de las terminales de salida con que cuenta el PLC. De lo mencionado anteriormente al botón lo relacionamos con la entrada física E0 y la lámpara con la salida S0, los cuales se muestran en sus lugares respectivos en la Tabla anterior. El elemento E0 como se puede apreciar en la Tabla anterior se encuentra en el campo denominado “Asignación de Terminales Físicas” de Entrada. El elemento S0 se observa en la misma Tabla dentro del campo llamado “Asignación de Terminales Físicas” de Salida. Por otra parte se deben crear etiquetas con la finalidad de tener un punto de referencia entre las terminales físicas del PLC y los símbolos que se emplean para su programación. Es


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importante que el nombre que se le asigne a dicha etiqueta simbolice la idea que representa el elemento externo o interno al cual se hace referencia. Continuando con el llenado de la Tabla anterior en la entrada física E0 se tiene conectado un botón por lo que la Etiqueta que asignaremos será la de “Botón” misma que aparece en el campo llamado “Etiqueta” del área de Entradas. La salida física S0 tendrá la conexión de la lámpara por lo que la Etiqueta que sugerimos es “Lámpara” que de igual manera aparece en el campo correspondiente, pero ahora en el área de las Salidas. Una vez que se ha seleccionado una terminal física del PLC, ya sea de entrada o de salida, y también haberla relacionado con una etiqueta, procedemos a la programación de la lógica de una manera formal para lo cual se recomienda se haga lo siguiente: “Identificar la salida que será activada colocando un símbolo en la casilla correspondiente a ésta”.

Decidir la forma en la que se marcaran las condiciones ya sea momentánea o memorizada. Marcar con un símbolo las casillas de las condiciones que se requieren para accionar la salida seleccionada en el paso 1. Los símbolos que emplearemos para todos nuestros ejemplos serán definidos de la siguiente manera: para accionamiento momentáneo se utilizará “ * ” ó “ = ” , así mismo para accionamiento memorizado ocuparemos “ # ”. Programación de una entrada y una salida mediante una tabla de programación. En nuestro ejemplo ilustrado en la primera tabla de este capítulo implementaremos el tipo de accionamiento momentáneo y por lo tanto para indicar cuando se encienda la lámpara se deberá marcar con un * la casilla corresponde a la salida S0, la condición para encender la lámpara es por medio del accionamiento del botón, por lo tanto se ubica un * en la entrada correspondiente donde se encuentra conectado que es E0. Recordemos que empleando accionamiento momentáneo lo que ocurrirá es que cuando este activado el botón se encenderá la lámpara y cuando este desactivado se apagará.

La implementación del ejemplo descrito a lo largo del presente capitulo en el Lenguaje en Escalera, es la que se muestra en la figura 6.2.

Figura 6.2 Escalón resultante de la primera tabla, con la entrada E0 desactivada


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Como se puede observar para representar el botón se utilizó un contacto normalmente abierto el cual hace referencia a la entrada física E0 que acciona mientras este activado a la Salida S0 la cual enciende la lámpara, como se muestra en la Figura 6.2.1

Figura 6.2.1 Escalón resultante de la tabla 1, con la entrada E0 activada En las Figuras 6.2.2 y 6.2.3 se muestra el funcionamiento del PLC en conjunto con el botón y la lámpara.

Figura 6.2.2 Con la entrada desactivada se apaga la lámpara

Figura 6.2.3 Con la entrada activada se enciende la lámpara

6.3 PROGRAMACIÓN DE LA FUNCIÓN LÓGICA AND (Y) MEDIANTE UNA TABLA DE PROGRAMACIÓN

El siguiente ejemplo involucra una función AND, por lo que se requiere que una lámpara se encendida si y solo si dos botones que tendrá el ejemplo estén siendo pulsados. La implementación a través de la tabla de programación se muestra a continuación en la tabla 3.


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Tabla 3 del encendido de una lámpara mediante la función AND con accionamientos momentáneos

Si observa la Tabla 3 y la compara con la tabla 2, se puede identificar que a diferencia de la tabla 2 en ésta se tienen dos botones cada uno conectado a una entrada física diferente del PLC: E0 y E1; por lo que les asignaremos dos Etiquetas diferentes “Botón1” y “Botón2” las cuales aparecerán en el campo llamado “Etiqueta” del área de Entradas. La conexión de la lámpara estará en la salida física S0 y se le asignara la etiqueta de “Lámpara”.

En la Tabla 3 se muestran activados de manera momentánea los Botones de entrada y el actuador de salida, así que se deberán marcar con un * las casillas correspondientes. Ahora se cuentan con dos condiciones para encender la lámpara: una es que este accionado el Botón 1 y la segunda es que esté accionado el Botón 2, por lo tanto se ubica un * en la entrada correspondiente a E0 y otro en la entrada correspondiente a E1. Si alguno de los dos botones no está accionado la lámpara se apagara, tal como ejemplifican las Figuras 6.3, 6.3.1, 6.3.2 y 6.3.4.

Figura 6.3 Escalón resultante de la tabla con las entradas E0 y E1 desactivadas

Figura 6.3.1 Escalón resultante de la tabla con la entrada E0 activada y E1 desactivada

Figura 6.3.2 Escalón resultante de la tabla,, con la entrada E0 desactivada y E1 activada


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Figura 6.3.4 Escalón resultante de la tabla, con las entradas E0 y E1 activadas Como se puede apreciar el orden que guardan los contactos relacionados con E0 y E1 en el Lenguaje en Escalera tienen una relación directa con la ubicación de los *’s de la Tabla.

Figura 6.3.5 Lámpara apagada por la condición Y (AND).

Figura 6.3.6 Lámpara apagada por la condición Y (AND).

Figura 6.3.7 Lámpara apagada por la condición Y (AND)


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Figura 6.3.8 Lámpara encendida por la condición Y (AND)

6.4 PROGRAMACIÓN DE LA FUNCIÓN LÓGICA OR (O) MEDIANTE UNA TABLA DE PROGRAMACIÓN Continuación veremos la función OR implementada con una lámpara que debe estar encendida cuando se presione uno, otro o ambos botones que la controlan. La tabla correspondiente a este ejemplo se identifica como tabla 1.

Al igual que en el ejemplo anterior se contara con dos botones conectado a las entradas físicas del PLC: E0 (cuya etiqueta es Botón1) y E1 (cuya etiqueta es Botón2). La salida física S0 hará referencia a la lámpara y se le asignara la etiqueta con el mismo nombre.

Tabla1 del encendido de una lámpara con la función OR y accionamiento momentáneo.

De la misma manera se utilizará el tipo de accionamiento momentáneo, por lo que con un * se marcará la casilla que corresponde a la salida S0, para indicar el encendido de la lámpara. Se cuentan ahora con tres maneras para el encendido de la lámpara: una es que este accionado el Botón 1, la segunda es que esté accionado el Botón 2, o ambas por lo tanto se ubica un * en la entrada correspondiente a E0, otro en la entrada correspondiente a E1 y uno en ambos. Si alguno de los dos botones está accionado bastará para que encienda la lámpara como se observa en las Figuras 6.4, 6.4.1, 6.4.2, y 6.4.3……2.8.13, 2.8.14, 2.8.15 y 2.8.16


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Figura 6.4 Escalera resultante de la tabla 1, con las entradas E0 y E1 desactivadas.

Figura 6.4.1 Escalera resultante de la tabla 1, con la entrada E0 activada y E1 desactivada.

Figura 6.4.2 Escalera resultante de la tabla 1 con la entrada E0 desactivada y E1 activada.

Figura 6.4.3 Escalera resultante de la tabla 1, con las entradas E0 y E1 activadas. El resultado de las figuras 6.4, 6.4.1, 6.4.2, y 6.4.3 sobre algo físico se muestra a continuación a través de las Figuras 6.4.4, 6.4.5, 6.4.6 y 6.4.7 respectivamente.


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Figura 6.4.4 Lámpara apagada por la condición O (OR)

Figura 6.4.5 Lámpara encendida por la condición O (OR).

Figura 6.4.6 Lámpara encendida por la condición O (OR)

Figura 6.4.7 Lámpara encendida por la condición O (OR)

Ya que tenemos el programa en Lenguaje Escalera es necesario realizar las conexiones físicas de los botones en los contactos de entrada y del elemento actuador que es nuestra lámpara, en una salida del PLC, para que observe la manera en que se encontrará vea la figura:

Figura 6.4.8 Diagrama de conexión de las terminales de entrada


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Figura 6.4.9 Diagrama de conexión de la terminal de salida 6.5 CONTADORES EN UN PLC

Existen diversos procesos industriales donde se tiene que ir transportando el producto en sus diversas etapas de manufactura, para lo cual se requiere necesariamente de una banda transportadora, que es precisamente la encargada de realizar el desplazamiento de un punto a otro del producto que se está fabricando.

Una banda transportadora la podemos encontrar en diversos procesos industriales, pero siempre cumple con la misma tarea, que es la de ir desplazando diversos productos o materiales, por lo mencionado anteriormente una banda transportadora la podemos encontrar por ejemplo en: Línea de armado de vehículos, en una planta embotelladora, en una planta farmacéutica para transportar las diversas sustancias e inclusive en un aeropuerto por donde nos entregan el equipaje, etc

Figura 6.5 Máquina de tortillas (Alimento típico de México). Puesto que no todos tenemos acceso a maquinaria industrial, emplearemos un modelo a escala tal como el que se ilustra en la figura 6.5.1, tenga la misión de emular el funcionamiento del sistema a automatizar que en este caso se trata de la banda transportadora de tortillas.


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Figura 6.5.1 Modelado de la Banda Transportadora por un juguete

EMPLEO DEL CONTADOR

Para la implementación de la Banda Transportadora se requiere utilizar un Contador el cual lo tomaremos de uno de los que tiene el PLC que empleamos para este ejercicio. En primera instancia es necesario realizar la activación del contador por medio de la acción de un contacto. Existen dos formas de activar a los contadores del PLC, que a continuación se enlistan:

a) Una es por medio de una condición resultado del proceso. b) La otra es en la cual el propio contador se activa y desactiva así mismo.

Procedamos a explicar la primera forma de activación del contador, en ésta el contacto a utilizar es normalmente abierto, y es accionado como resultado de un proceso o como reflejo de la manipulación física de un botón. Se le asignara la etiqueta de Activación, pues es la que mejor describe su funcionamiento. Observe la figura 2.9.3.

Figura 6.5.2 Habilitación del contador (opción 1). La segunda opción que tenemos para activar al contador es mediante un contacto normalmente cerrado, el cual corresponde a un contacto que proporciona el mismo contador, es decir se trata de una salida interna por lo que el contacto lleva la misma etiqueta que el Contador. Tal como se indica en la figura 6.5.3


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Figura 6.5.3 Habilitación del contador (opción 2) Una vez descritas las formas de activación del contador ahora continuamos el proceso de conteo. Se requiere introducir un contacto más, en este caso utilizaremos un contacto normalmente abierto, que cada vez que es presionado el botón físico correspondiente, el contador se incrementa en una unidad, las figuras 6.5.4, 6.5.5, 6.5.6, 6.5.7 describen lo antes mencionado. Y así se continúa sucesivamente hasta llegar al límite establecido por el programador. Cabe mencionar que para el buen funcionamiento del contador es necesario “pulsar” y “soltar” el botón ya que si se deja en una posición fija (ya sea pulsado o suelto) el contador permanecerá fijo sin cambio. Para este ejemplo el límite de conteo establecido es 3.

Figura 6.5.4 Al presionar el botón de la entrada E1 se incrementa en 1 el conteo

Figura 6.5.5 Se suelta el botón para preparar el siguiente conteo

Figura 6.5.6 Nuevamente se presiona el botón de la entrada E1 para incrementar en 1 el conteo

Figura 6.5.7 Nuevamente se suelta el botón para preparar el siguiente conteo


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Si estamos trabajando de acuerdo al método del inciso a) cuando el contador llega al límite establecido el reset del contador entra en funcionamiento deteniendo la cuenta, vea la figura 6.5.8 por lo que es necesario desenergizar y volver a energizar el contacto de Activación del cual se hablo en líneas anteriores, para que regrese a cero el contador, vea la figura 6.5.9

Figura 6.5.8 Habilitación e incremento del contador

Figura 6.5.9 Restablecimiento a cero del contador

Cuando el contador llega a su límite se refleja la actividad de éste a través del contacto normalmente cerrado C0 lo que activa al Reset, tal como se muestra en la figura 6.5.10, con lo que se restablece el registro del contador nuevamente, vea la figura 6.5.11


Figura 6.5.10 Incremento del contador

Figura 6.5.11 Restablecimiento a cero del contador por un contacto propio

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Unidad3. SCADA



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Unidad3. SCADA 7. INTRODUCCION AL SCADA.

7.1 Que es SCADA? SCADA son las siglas de Supervisión Control y Adquisición de Datos. También algunos autores lo definen como la tecnología que habilita la colección de datos de locaciones remotas, así como el envío de información a estas locaciones. Scada permite que se omita la necesidad de tener operadores en estas locaciones remotas, que a partir de ahora serán conocidas como estaciones remotas. Durante este capítulo se presentará algunos procesos que se ven beneficiados con la instalación de un sistema Scada y dar a conocer los elementos básicos del sistema. Un sistema Scada permite que un operador, ubicado en una estación central a grandes distancias de la ubicación de los procesos industriales, pueda hacer ajustes o cambios en los controladores locales de los procesos. Tal es el caso de abrir o cerrar válvulas a distancias, conocer el estado de los interruptores de seguridad de un sistema, monitorear el estado de las alarmas del proceso y obtener información de las variables del proceso involucradas. Cuando la distancia de los procesos llega a ser muy grande: cientos o miles de kilómetros desde un punto a otro, los beneficios en reducir costos de visitas de rutinas pueden ser apreciadas. El valor de estos beneficios se incrementa si la zona a visitar es poco accesible. Los programas necesarios y en su caso, el hardware adicional que se necesite, se denomina, en general, sistema SCADA. Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: • Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. • Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).


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• Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware y fáciles de utilizar, con interfaces amigables para el usuario.

Figura 7 Monitoreo y bombeo de agua a una estación local En esta aplicación se tiene tres tanques colectores de 1 000 mts3 cada uno. Desde una estación de bombeo localizada a 20 millas se bombea el agua a un reservorio elevado que tiene una cota de 1000 ft. El suministro de agua llega a la planta de tratamiento por efecto de la gravedad. Como se puede ver, la estación de supervisión se encuentra localizada a más de 50 millas de los tanques colectores, pero la información de los niveles de estos tanques se visualiza “en tiempo real”, es decir, que las variables de nivel son actualizadas en tiempos muy pequeños, menores a 1 segundo. Desde la estación de supervisión se puede encender y apagar las bombas que alimentan de agua al reservorio en forma manual y automática. Cuando se trabaja en modo manual, el operador de la estación de control enciende las bombas dando la señal de encendido desde el panel. Cuando se opera en forma automática, el controlador local monitorea el nivel del reservorio y cuando detecta un nivel mínimo, manda a encender las bombas de alimentación hasta lograr el nivel deseado.


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Figura 7.1 Monitoreo y control de plataformas petroleras Este sistema Scada permite el control de las estaciones de bombeo, monitoreo de los niveles de los tanques de almacenamiento de la refinería y monitoreo y control de los tanques de la zona de despacho. Todas las operaciones son supervisadas desde dos estaciones locales que operan sobre plataforma Unix. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SCADA Los sistemas SCADA se caracterizan por una gran diversidad, dependiendo del proceso que controlan, tecnología utilizada, localización geográfica, etc. A continuación agruparemos los sistemas Scada según su distribución geográfica, ya que estos sistemas comparten ciertas características en común desde este punto de vista. Las descripciones generales del hardware y el software básicos utilizados en cada sistema son en general válido encontrándose diferencias mayores en el software de aplicación, que se adapta a cada caso. a) SISTEMAS LINEALES Sistemas con desarrollo lineal • Oleoductos. • Gasoductos.


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• Poliductos. • Acueductos. • Redes de ferrocarriles y subterráneo. • Redes de distribución de energía eléctrica. b) SISTEMAS RAMIFICADOS En este caso el sistema abarca una superficie importante: • Yacimientos. • Redes de distribución de gas, agua o electricidad. • Los sistemas asociados a estos procesos que dependen en forma importante de sus características particulares. 7.2 Componentes en un sistema SCADA A) LA ESTACIÓN MAESTRA O MASTER Recibe datos de las condiciones de los equipos en campo que es enviada por las estaciones remotas (RTU). Procesa la información y envía comandos a las estaciones remotas para mantener las variables de los procesos dentro de los parámetros establecidos. La estación maestra dependiendo del tipo de sistema a Scada a implementar puede ser una PC con un software de supervisión y control. En muchos casos se opta por trabajar con un PLC con capacidad de comunicación que realizaría la tarea de leer la información de las unidades remotas.

Fig. 7.2 - Estación Maestra o Máster


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B) LAS UNIDADES REMOTAS O RTU Controlan todas las señales de entrada y salida del campo como válvulas, equipos de medición, motores, etc. Monitorean las condiciones de los dispositivos de campo y almacenan los estados de las alarmas. Envían los estados y alarmas de los equipos en campo y reciben comandos de la estación maestra.

Fig. 7.2.1 La estación maestra interroga a las RTU por medio de un proceso de encuesta o Polling Algunos autores clasifican a las RTU es unidades tontas y unidades inteligentes. A los inicios de los sistemas Scada era común instalar unidades tontas que sólo se encargaban de enviar información a la estación maestra y esta estación tomaba la decisión y se la transmitía al RTU. En la actualidad las RTU tontas han sido reemplazados por los RTU inteligentes que básicamente son pequeños PLC's que tienen capacidad de comunicaciones y se encargan de hacer un control de procesos en forma local y posteriormente la estación maestra se informa de la acción tomada por la RTU a fin de actualizar su registro de los datos. Otros autores clasifican a las RTU dependiendo del número de señales de entrada salida que maneja cada equipo. Se considera a un RTU con menos de 100 señales de I/O como pequeñas, hasta 500 I/O como medianas y mayores a 500 I/O como grandes.


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C) RED DE TELEMETRÍA Permite establecer el intercambio de información entre la estación maestra y las unidades remotas. Cuando hablamos de telemetría nos referimos básicamente a tres componentes: • La topología usada: Corresponde al arreglo geométrico de los nodos. Entre los principales se tiene el punto a punto, punto a multipunto, etc. • Modo de transmisión: Es la forma como viaja la información entre los distintos nodos de la red. Se puede tener dos modos principales: Full Duplex y Half Duplex. • El medio utilizado: Corresponde al tipo de medio utilizado para enviar y recibir la información. Puede ser una línea física dedicada, a través del medio atmosférico, a través de las líneas de alta tensión, etc.

Fig. 7.2.2 - Red de Telemetría D) LA ESTACIÓN DE SUPERVISIÓN Permite la visualización gráfica del estado del proceso, es decir proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.


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Fig. 7.2.3 - Estación de Supervisión Algunos software de supervisión: • RSView32, de Rockwell Software. • InTouch, de Wonderware. • WinCC, de Siemens. • Coros LS-B/Win, de Siemens. • SYSMAC SCS, de Omron. • FIXDMACS, de Omron-Intellution. Un software de supervisión SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes prestaciones: • Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. • Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. • Ejecución de programas que modifican la ley de control o incluso, el programa total sobre el autómata, bajo ciertas condiciones. • Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador y no sobre la del autómata, menos especializado, etc.


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7.3 Qué es realmente un sistema SCADA en tiempo real. El término “Control en tiempo real” es definido como “pertinente para realizar una operación de cálculo durante el tiempo que el proceso físico transpira”, en nuestro contexto se refiere a la respuesta del sistema de control a los cambios en el proceso. Rigurosamente, un sistema en tiempo real es el que no introduce retardos o tiempo muertos entre la recepción de la medición de las variables del proceso y la señal de control. En realidad, todos los sistemas de control introducen pequeños retardos al proceso. Esto hace que la introducción de pequeñas cantidades de retardos al proceso sin afectar la medición o rendimiento del proceso sea conocida como un sistema de control en tiempo real. Muchos sistemas de control de proceso son considerados en tiempo real. La figura 7 muestra un sistema de control en tiempo real, debido a que el único retardo considerado es el tiempo de procesamiento de la información en el controlador del proceso.

Fig.7.3 - Sistema de control en tiempo real


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La figura muestra un simple Scada con la unidad maestra escaneando tres RTUs. La unidad maestra pregunta al RTU 1 por el flujo a través del FT101, luego este pregunta a los otros RTUs por el flujo en sus transmisores FT102 y FT103. El intervalo de scan es el tiempo entre una conversación con un RTU y la próxima conversación con el mismo RTU. Es obvio que este método usado por el sistema Scada es de la baja velocidad y va introducir un tiempo de retardo.

Fig. 7.3.1- Simple Scada con la unidad maestra escaneando tres RTUs La figura muestra el retardo. La decisión en cómo puede afectar el tiempo de scan en el proceso, sólo puede ser realizado por una persona que conozca del proceso. Durante el inicio del diseño del sistema Scada, el intervalo de Scan puede ser seleccionado para minimizar los efectos de retardos de tiempo.


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Fig. 7.3.2 - Retardo en comunicación en RTU's En particular, los sistemas para indicar estados o alarmas deben ser diseñados de tal manera que los retardos de tiempo entre la detección de la alarma y el reconocimiento por parte de operador deben ser mínimos. Muchos ejemplos pueden ayudar a entender de este tema. Por ejemplo, una falla en un equipo ha sido detectado. El sistema Scada avisa al operador de la condición de alarma existente. Una respuesta por parte del operador es hecha para retornar el proceso a sus condiciones nominales. Ejemplo 1, de una condición fuera de límite: Una bomba de descarga, de aceite, se ha detenido en la localización 10-22. Como la bomba alimenta a un reservorio el flujo hacia este tanque se detiene. Una señal de alarma aparece “Bomba 10-22 detenida”. La respuesta esperada es que en la próxima visita a campo el operador pierda suficiente tiempo en el lugar en determinar la causa de la falla de la bomba. Puede escribir una descripción de la falla y puede llamar al personal de mantenimiento para reparar el problema. El tiempo económico factible está en el orden de las horas hasta días.


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Ejemplo 2, de una condición fuera de límite: Una bomba sumergible localizada en la sección 6-33 se ha detenido. Señal de alarma es “Bomba 6-33 Detenida” Respuesta esperada.- Las bombas sumergibles son caras y normalmente bombean altos volúmenes de flujos. Por tanto las paradas de estas bombas producen grandes pérdidas económicas a la empresa. Por tanto el tiempo para reparación del equipo debe lo mínimo posible. El tiempo económico factible para esta respuesta está en el orden de los minutos y puede ser como máximo de una hora.

Ejemplo 3, de una condición fuera de límite: La conexión entre el generador G150 y la línea de transmisión eléctrica se ha abierto. Señal de alarma “Conexión abierta Generador G150” Respuesta esperada- El generador es imprescindible para la operación de la planta. Por tanto su reconexión debe ser lo antes posible. El tiempo económico factible está en el orden de los segundos. Como máximo 5 segundos. De estos ejemplos queda claro que el diseño del sistema Scada depende de las condiciones a controlar en el proceso y se debe ajustar a tener un menor tiempo de respuesta que el proceso para que el sistema Scada sea reconocido como un sistema en “Tiempo Real”.

7.4 Determinando el Intervalo del Scan en sistemas SCADA Uno de los factores que determina el intervalo del Scan es el número RTUs a ser escaneados. Un estimado puede ser fácilmente hecho durante la etapa de diseño del sistema Scada. Un segundo factor a considerar es la cantidad de información que va ser enviada en cada conversación. Dependiendo de los controles a tener en cada RTU se puede determinar el número de bits a enviar en la información.


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Para señales del tipo ON/OFF usado en válvulas solenoides, motores, pulsadores, lámparas, etc., se requerirá un bit por cada uno de los equipos. Para el caso de indicadores de presión, medidores de flujo, porcentaje de apertura de las válvulas moduladoras, etc., se requerirá una palabra de 16 bits. En algunos casos se requerirá de dos palabras de 16 bits cuando la resolución de los equipos en campo así lo demande. Para simplificar y obtener un factor seguro, se puede seleccionar el RTU con mayor número de puntos de control y multiplicar por el número de RTUs a instalar en el sistema. Recordar que una conversación es usualmente una transferencia de datos en dos direcciones. Es importante incluir el tiempo tomado por la estación maestra para conversar con cada RTU. Esto puede incluir ambos, el tiempo requerido para que la estación maestra le pregunte por los datos al RTU y el tiempo para que le asigne nuevos comandos al RTU. En este punto también es recomendable analizar el RTU con mayor número de transacciones de conversación y multiplicar por el total de RTU para tener un valor seguro del número de transacciones. El tercer factor es la velocidad de comunicación. Es el número de bits por segundo que pueden ser transmitidos por un medio de comunicación. Dependiendo del protocolo de comunicación y el medio físico puede variar la velocidad de comunicación del sistema. Si utilizamos una línea telefónica, podemos trabajar en el rango de 300 a 2 400 bps. Si trabajamos con un protocolo industrial, podríamos estar llegando a 19 200 bps. Sin embargo, si consideramos usar un protocolo como TCP/IP se pueden lograr velocidades de hasta 10 Mbps. Este último nos puede ser útil para sistemas en que el tiempo económico factible esté en el orden de los segundos. Un cuarto criterio es la eficiencia de la comunicación que debe ser tomada como la razón del tiempo perdido moviendo la data de interés entre el total del tiempo perdido en comunicarnos. Por ejemplo, parte del mensaje incluye la dirección del RTU que no es un dato de interés, así también tenemos los errores de chequeo y los algoritmos usados para la corrección. Hay veces que los datos que no interesan toman más tiempo que los datos de interés. Algunos datos han sido calculados para determinados medios de comunicación, por ejemplo, la eficiencia para la línea telefónica dedicada es del 70%, para un radio módem del 40%, para una línea telefónica del tipo dial up menos del 1%.


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Ejemplo: Calcular el intervalo del scan para el siguiente sistema Scada: • Inicialmente son 7 RTU, pero puede incrementar eventualmente a 20. Por tanto el número de RTU a considerar será 20. • EL RTU con mayor número de puntos de control es de: TOTAL PUNTOS 140 140 Puntos de estado. 30 30 Puntos de alarma. 160 10 Indicadores (1 palabra de 16 bits). 160 10 Puntos análogos (1 palabra de 16 bits). La estación maestra puede enviar información al RTU de: TOTAL PUNTOS 150 150 Controles discretos (Válvulas y motores). 96 6 Motores de posición (1 palabra de 16 bits). 160 10 Válvulas moduladoras (1 palabra de 16 bits). Total de puntos: 896 • El equipo de comunicaciones es un radio UHF que alcanza una velocidad de comunicación de 1 200 bps. • La eficiencia de comunicación basada en una radio UHF es 40%. Ahora, 20 x 896 = 17 920 bits movidos a una razón de 1 200 bps puede tomar: (17 920 / 1 200) = 14,93 segundo a un 100% de eficiencia. A 40% de eficiencia, el intervalo del scan es 14,93/0,4 = 37,33 segundos. El sistema estaría diseñado para operar en el rango de 40 a 60 segundos de actualización de cada RTU. Con este valor es necesario analizar si estamos en capacidad de otorgar un minuto de retardo en el tiempo de respuesta de nuestro sistema Scada respecto de nuestro proceso. Es decir si se presenta un problema en nuestro proceso estamos en capacidad de esperar un minuto para tomar una acción correctiva. Para nuestro caso sería recomendable duplicar la velocidad de comunicación de nuestro sistema, es decir


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incrementar para trabajar a 2 400 bps. Esto no nos garantiza que disminuyamos a la mitad el scan de nuestro Scada. Esto debido que la eficiencia no es una función lineal.

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA Para seleccionar los componentes del sistema de SCADA se debe seguir el siguiente procedimiento: Escoger una red de telemetría. Escoger los equipos de comunicación de datos (DCE). Escoger una estación máster. Escoger una estación remota para el lugar de control local.

Todos los criterios necesarios para la implementación de un sistema Scada serán tocados en los próximos temas. 7.5 Selección de la Red de Comunicaciones en un sistema SCADA Cuando hablamos de telecomunicaciones nos referimos básicamente a los equipos de comunicación necesarios para establecer la comunicación entre los diferentes componentes del sistema Scada. En tal sentido en esta unidad se dará a conocer qué equipos de comunicación son requeridos y cuáles son sus criterios de selección. LAS COMUNICACIONES HACEN POSIBLE UN SISTEMA SCADA Considerando que un sistema Scada consiste de uno o más estaciones maestras enviando instrucciones a las estaciones remotas y recibiendo información de estas, es claro que la comunicación juega un papel vital. La justificación para instalar un sistema Scada está basada en la capacidad de comunicar estaciones que se encuentran a distancias considerables y el costo que implica tener acceso a la información de esta localización. La mayor justificación es el hecho de evitar tener una persona en la estación remota ejecutando las operaciones que pueden ser reemplazadas por un RTU.


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Para llevar a cabo la implementación de un sistema Scada, es necesario realizar una conversión de análogo a digital. Esto debido a que todo el flujo de información entre la estación maestra y la estación remota son datos binarios. La figura 2 muestra la forma de onda de la salida de un limit switch que es usado para indicar el estado de una válvula de control. En un primer momento la válvula está abierta y se está enviando una señal de +5 V. En un segundo momento la válvula está cerrada y se está enviando una señal de 0 V.

Fig. 10

Fig. 7.5 El estado de la válvula es llevado a un registro de un bit o a un flip flop tal como se muestra en la figura 11. El estado de la válvula es llevado a la señal de habilitación (Enable) del registro. Este registro tiene un canal adicional para el reloj del sistema (Clock). La actualización de la salida del registro es actualizada con cada cambio de estado de 0 a 1 del reloj.


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Fig. 7.5.1 Como se puede comprobar la actualización estado a la salida del registro está en función de la actualización del reloj del sistema. Para nuestro caso, la actualización del estado de la válvula se produce en el cuarto pulso de subida del reloj. Esto hace que se pierda la información por casi un ciclo de duración del reloj. Es por ello que entre más rápido el tiempo de actualización del reloj, mejor rendimiento del sistema. La figura muestra cómo una señal análoga es desarrollada para representar la posición de la válvula.


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Fig. 7.5.2 Cuando la válvula está totalmente abierta, el indicador de posición enviará una señal de 5 volts. Cuando la válvula está totalmente cerrada el indicador de posición enviará una señal de 0 volt. En la figura se muestra una posición de la válvula equivalente a una señal de 3 volts que equivale a un 60% de la apertura de la válvula.

Fig. 7.5.3 El convertidor análogo – digital procesa la información y establece el número de bit equivalentes a esta información. Para el ejemplo se está trabajando con un convertidor de cuatro bits. Por tanto la resolución de la conversión es de 5 / 24 = 0,3125 volts. Es por ello que cada resta es respecto a este valor. En la tabla se muestra el cálculo en voltios que se obtiene de la conversión análogodigital. Se pude notar que existe un error de 0,1825 volts.


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Fig. 7.5.4 LARGAS DISTANCIAS - COMUNICACIÓN SERIAL Cuando las comunicaciones son a grandes distancias es necesario trabajar con una comunicación serial. Esto significa que en una cadena de caracteres, los bits son enviados uno a uno desde el origen hasta el destino. La comunicación paralela es muy conocida para el uso de impresoras conectadas a las PC's. Sin embargo, la gran limitante es la distancia máxima que se puede obtener. Cuando se necesita enviar datos en forma serial, es necesario trabajar con un equipo adicional que permita enviar los bits uno a uno de los conversores análogo -digital. La técnica más usada es empezar por el bit más significativo y culminar con el bit menos significativo. A esta convención se le conocerá como protocolo y que será explicado posteriormente. 8. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN SCADA

8.1 Componentes de un Sistema de Comunicación SCADA La figura 8 muestra un simple sistema SCADA que consiste de una unidad maestra MTU y una unidad remota RTU. El MTU y el RTU deben ser equipados con equipos de comunicación para establecer la comunicación uno con otro.

Fig. 8


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En términos de comunicaciones los equipos necesarios para establecer la comunicación entre el MTU y el RTU son conocidos como DCE (Data Communication Equipment). Estos equipos tienen la capacidad de formular las señales necesarias para establecer la comunicación, esto es, codificar y decodificar las señales según los requerimientos. Un ejemplo de estos equipos de comunicación son los módems. En la figura 8.1 se tiene el diagrama de los equipos utilizados.

Fig. 8.1 La información viaja sobre un medio desde una DTE a otro DTE. Los módems utilizan un medio físico como puede ser una línea telefónica o una línea dedicada. La organización de estándares internacionales ISO ha desarrollado un modelo de sistema de interconexión abierto OSI. Este consiste de siete capas (Layers). La función de cada capa es definida y se usa un número apropiado de capas según los requerimientos. Las capas más bajas son suficientes para la mayoría de los sistemas Scada. Note que no necesariamente existe una correspondencia directa entre una capa OSI el cual define una función, y una pieza física de hardware.


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Fig. 8.1.1 Los siete niveles del modelo ISO-OSI 8.2 Selección de Topologías y Modos de Transmisión en sistemas SCADA El lazo de comunicación es sólo entre dos estaciones. Cualquiera de las dos estaciones puede iniciar la comunicación o se puede configurar para que sea una de ellas quien controle a la otra. La topología es el arreglo geométrico de nodos y lazos que forman una red. Las siguientes topologías son las más usadas por un sistema Scada: A) PUNTO A PUNTO El lazo de comunicación es sólo entre dos estaciones. Cualquiera de las dos estaciones puede iniciar la comunicación o se puede configurar para que sea una de ellas quien controle a la otra.

Fig. 8.2 Las estaciones pueden ser conectadas usando cables permanentes o una pública dedicada. La línea dedicada puede ser análoga o digital. También se puede


usar conexiones temporales transmisiones satelitales.

como

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lines,

microonda,

radio

o

Selecciones esta topología si usted necesita una conexión directa con la estación remota. Para estos casos los sistemas de redundancia deberán ser contemplados como parte del diseño del sistema. Two-Wire significa que el medio de transmisión usa dos cables para la transmisión y recepción de la señal. Por ejemplo, la línea telefónica pública utiliza dos cables para establecer la conexión entre dos usuarios.

B) PUNTO A MULTIPUNTO (MULTIDROP) El lazo de comunicación es con tres o más estaciones y quien inicia la comunicación es la estación maestra que controla la comunicación con las estaciones remotas.

Fig. 8.2.1 La comunicación puede ser establecida usando una línea pública análoga o digital. También puede ser usado el medio atmosférico como las microondas, radio o satélite. Esta topología es la más usada por Scada. Cuatro líneas significa que el medio de transmisión usa dos líneas para la transmisión y dos líneas para la recepción de la señal. Los proveedores del servicio público normalmente habilitan el uso de las cuatro líneas de comunicación.


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C) MULTIPUNTO A MULTIPUNTO El lazo de comunicación es entre tres o más estaciones donde la estación maestra no necesariamente inicia la comunicación con las otras estaciones.

Fig 8.2.2 Esta es una especial topología de algunos proveedores de radio-módems. Este facilita una comunicación punto a punto entre las estaciones. SELECCIÓN DEL MODO DE TRANSMISIÓN EL modo de transmisión es la forma cómo la información es enviada y recibida entre los dispositivos de la red. Para sistemas Scada la topología de la red generalmente determina el modo de transmisión de la data. Cuando se tiene una topología punto a multipunto, el modo de transmisión es halfdúplex. Esto significa:


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Fig 8.2.3 Cuando se tiene una topología punto a punto, el modo de transmisión es full-dúplex. Esto significa:

Fig. 8.2.4 Cuando se tiene una topología multipunto a multipunto, el modo de transmisión es fulldúplex entre estación y módem y half dúplex entre módems. Esto significa:

Fig. 8.2.5 SELECCIÓN DE UN MEDIO DE COMUNICACIÓN Selecciones un medio de comunicación tomando en consideración lo siguiente: • Necesidades de transmisión de la aplicación. • Localizaciones del centro de control y sitios remotos. • Distancias entre los sitios.


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• Servicios disponibles. • Presupuesto asignado al proyecto. Tipos de medios disponibles: a) LÍNEA PÚBLICA TELEFÓNICA (PUBLIC SWITCHED TELEPHONE NETWORK PSTN) La red de dial-up es suministrada por una compañía telefónica. La línea telefónica la usamos todos los días y permite la transmisión de voz y datos. Ventajas y capacidades: • Es útil si se requiere poca recolección de datos. • Se tiene acceso al uso de una línea pública. • La compañía telefónica carga mensualmente por el servicio. El costo está en función del número de conexiones y el tiempo de la conexión. • La red de comunicaciones logra una velocidad de hasta 56 000 bps. • La red es un cable de dos hilos que soporta una conexión half-dúplex y full dúplex si la conexión es punto a punto. Desventajas: • La transmisión es costosa si se requiere mayores volúmenes de información de los sitios remotos. • La conexión con módem puede causar errores es la transmisión de 1 error por cada 1 000 000 bits. • El medio no puede ser usado en localidades donde no se tenga este servicio. • Se requiere tiempo para la conexión (marcado) y el establecimiento de la conexión. • Una lógica adicional es necesaria para una conexión automática. Usa estándar Bell o Comité Consultivo para Internacional Teléfonos y módems (CCITT).


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b) LÍNEA PRIVADA DEDICADA (PRIVATE LEASED LINE PLL) Es una línea telefónica dedicada que está en permanente conexión entre dos o más localizaciones que usan una transmisión análoga. La línea esta disponible las 24 horas del día y normalmente es para el envío de voz y datos.

Fig. 8.2.6 c) SERVICIO DIGITAL DE DATOS (DIGITAL DATA SERVICES DDS) Es una línea privada con un ancho de banda especial que usa tecnología digital para transferir datos a altas velocidades y con bajos niveles de error usando una línea privada dedicada. La línea está disponible las 24 horas del día.

Fig. 8.2.7

8.3 Medios Atmosféricos y Protocolos de Comunicación en sistemas SCADA Medios Atmosféricos A) MICROONDAS (MICROWAVE RADIO)


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Es una transmisión de alta frecuencia (GHz) que es limitada por la curvatura de la tierra. Utiliza platos parabólicos que son conocidos como antenas parabólicas para la transmisión de datos.

Fig. 8.3 Las antenas parabólicas son montadas en lo alto de los edificios debido a que debe existir una línea de vista entre las antenas. B) RADIO VHF/UHF Es una onda de transmisión electromagnética de alta frecuencia. El radio transmisor genera la señal y la antena recibe esta información.

Fig. 8.3.1

Fig. 8.3.2


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Fig. 8.3.3 C) SATÉLITE EGOCÉNTRICO Los satélites geocéntricos usan una transmisión de radio de alta frecuencia del orden de los Ghz entre dos localizaciones. La órbita de los satélites es síncrona con la órbita de la tierra. Es decir, los satélites giran alrededor de la tierra utilizando una órbita geocéntrica. Sin embargo los satélites mantienen su posición relativa respecto a un punto en la tierra. Los satélites reciben y transmiten la información usando antenas parabólicas.

Fig. 8.3.4 D)

LÍNEA DE POTENCIA

Con equipos especiales es posible enviar y recibir datos sobre una línea de potencia desde los 120 VAC hasta los 460 VAC.


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Fig. 8.3.5

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN El protocolo es una serie de reglas que definen el significado de una palabra de bits. Se ha establecido que un mensaje será enviado desde una MTU hacia un RTU a través de una serie de bits digitales. Pero, que puede representar el primer, segundo, tercer bit, y qué puede significar el bit veinticuatro. El protocolo se encarga de decirnos que significa cada bit. Por tanto un código se encargará de decirnos cuál es el significado de cada bit en una comunicación serial. Este código se codifica al inicio de la transmisión y se decodifica al final de la transmisión. Demás es decir que existen muchos protocolos en el mercado y cada proveedor de tecnología propone utilizar su protocolo como una estándar. La figura 8.3.6 muestra un diagrama de un mensaje enviado que se basa en un protocolo de la IEEE C37.1. Cada bit es definido como un propósito. El total de la longitud de la transmisión del documento es incluido como la cima de todos los bits fijos más el número que es llevado como modificador. La cadena de la dirección remota, define la estación a la cual es mensaje es enviado. Ocho bits permiten identificar hasta 256 estaciones.


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Fig. 8.3.6 La función del frame es definir hasta 256 tipos de mensajes. La dirección interna define el registro con el cual la estación de recepción direcciona el mensaje. El modificador modifica la dirección interna y define cómo cuántas palabras son incluidas en el mensaje. El dato es un campo de longitud variable que va desde 0 hasta 192 bits. El CRC es un código de 16 bits de ciclo redundante basado en una fórmula de BoseChaudhuri – Ocquenghem para la detección de los errores de transmisión. A continuación se muestra un ejemplo para el cálculo del CRC. El cálculo del CRC es un modelo matemático que es implementado por circuitos digitales o por rutinas desarrolladas en micro procesadores.


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Fig. 8.3.7 A) MODULACIÓN DE LAS SEÑALES DIGITALES La modulación de las señales digitales es llevada a cabo por equipos conocidos como módems que es la contracción de Modulate and Demodulate. Pero, ¿cuál es el significado de modulación? Generalmente esto significa variar o cambiar la forma de onda de acuerdo a una onda portadora.


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Cuando se envían señales discretas a través de una línea, estas señales se ven atenuadas por el efecto de la resistencia del medio físico. La figura 8.3.8 muestra que una forma de onda puede ser separada en una serie matemática de serie de ondas senoidales. Un francés matemática llamado Fourier describió el método para analizar estas formas de ondas. Demostró que una forma de onda rectangular es la suma de sus componentes senoidales.

Fig.8.3.8 Los componentes de la onda original se ven afectados por la inductancia y capacitancia del medio físico utilizando. El efecto principal es la distorsión del ángulo de fase de la señal. Sin embargo se pudo demostrar que una frecuencia base no se ve afectado por la distorsión del medio físico. En tal sentido la idea es utilizar una frecuencia portadora para la modulación de la información. Los distintos métodos de modulación son: 1. Amplitud modulada AM. 2. Frecuencia modulada FM. 3. Modulación de fase PM.


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La amplitud modulada AM varía la amplitud de la alta frecuencia de la onda portadora multiplicado por la amplitud de los datos. El resultado es una serie de ondas sinusoidales que varían de amplitud a la velocidad de los datos.

Fig.8.3.9

La modulación por frecuencia FM varía la frecuencia de la onda portadora de acuerdo a la amplitud de los datos. La amplitud de la onda de salida es constante. En estos casos el ruido atmosférico no afecta a la onda portadora.


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Fig. 8.3.10 La modulación por ángulo de fase, cambia la fase en respuesta al cambio de amplitud de los datos. Este tipo de modulación permite mayores velocidades de comunicación respeto a la modulación AM. Un protocolo gobierna el formato de transmisión entre dos o más estaciones, incluyendo en handshaking, el error de detección y error de recuperación. Cuando se selecciona un protocolo el que se ajuste más a su aplicación. Los criterios a tener en cuenta al seleccionar un protocolo son:


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• Topología de la conexión. • Modo de transmisión. • Otros requerimientos de la aplicación, como conexiones y equipos ya existentes. Si su modo de transmisión es en una dirección el protocolo a seleccionar será half dúplex. Si el modo de transmisión es bidireccional en forma simultánea el protocolo a seleccionar será full dúplex. Dependiendo del proveedor elegido para la estación maestra y esclavo, el protocolo será el sugerido por el fabricante de estos equipos. Por ejemplo, si se trabaja con equipos de la marca Allen Bradley, el proveedor sugerirá el protocolo DF1 half dúplex porque este tiene como beneficios: • Monitoreo remoto de la tabla de datos de la estación remota, así como acceso al programa escalera de esta estación. • Mensajes entre estaciones. • Menor costo porque el protocolo viene incluido con los equipos. EL protocolo DF1 es un protocolo asíncrono. Usted necesitará trabajar con otro protocolo si: • Está usando lazos de comunicación con satélites, radio módems y software que necesiten trabajar con handshaking. • Expandir un sistema existente que no trabaje con protocolo DF1 de AB. Sin embargo, muchos proveedores de tecnología proveen soluciones conocidas como Gateway, que son equipos o software que se encarga de convertir un protocolo determinado en otro protocolo. Nota: Como parte de investigación investigue y cree una tabla de: Protocolos para SCADA y Protocolos RTU SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE COMUNICACIÓN Un método para calcular el scan del intervalo está basado en varias consideraciones ya mencionadas en la unidad 1. Cuando se tiene aplicaciones críticas, es necesario


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manejar mayores anchos de banda con mayores velocidades de comunicación. En estos casos los medios de comunicación a utilizar considerará el uso de por ejemplo un medio físico como la fibra óptica, ondas de radio, etc. Implementar una línea dedicada es mucho más sofisticado, pero es necesario tener una compañía de teléfono quién pueda brindar este servicio.

8.4 Seleccionando la Estación Maestra en sistemas SCADA La estación maestra (MTU) es uno de los componentes más importantes en un sistema de control Scada, en tal sentido se debe tener claro las funciones que cumple este equipo dentro del sistema y cuáles son los criterios de selección del mismo. La unidad maestra MTU envía información a cada RTU utilizando un medio común de comunicación y un protocolo común. Ambos, la estación maestra y el RTU, básicamente tienen los mismos equipos de comunicación. La diferencia radica en que la estación maestra MTU es la única que puede iniciar la conversación. Esta comunicación es iniciada por un programa dentro del MTU que puede ser disparado por una instrucción manual dada por el operador o por el mismo programa del MTU. El 99% de los mensajes son iniciados automáticamente por el MTU como parte de sus rutinas de control. Muchos MTU usan protocolos propietarios dependiendo del proveedor del equipo. Este protocolo deberá ser compatible con todas las estaciones a conectar en la red. A este tipo de tecnología se le conoce como una arquitectura cerrada, la cual se caracteriza por tener que utilizar sólo los equipos de un proveedor. Cuando se trabaja con equipos de tecnología abierta, se considera que puede trabajar con distintos proveedores al momento del diseño del sistema. Esto básicamente porque se comparte un estándar entre los proveedores. CONFIGURANDO UNA PANTALLA DE UN PROCESO Para visualizar una información adecuada del estado de las estaciones remotas, es necesario que todos los elementos de campo necesarios se encuentren conectados a las RTU. De esa manera el MTU podrá obtener este tipo de información.


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Fig. 8.4 A continuación se muestra un ejemplo que consiste de un proceso simple para el control de una línea de alimentación de combustibles.

Fig. 8.4.1 El RTU 1 monitorea el estado de la bomba, el cual puede estar prendido o apagado. También se puede controlar el encendido y apagado de la bomba. Del mismo modo se puede abrir y cerrar la válvula e identificar el estado de la válvula. Adicionalmente se tiene el dato de la totalización del flujo a través de la tubería y de la alarma por presión bajo en la línea.


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En el RTU 2 se tiene sólo un bloque de control de la válvula. Se controla la apertura y cierre de la válvula y se monitorea el estado de la misma. Al igual que el caso del RTU1 se monitorea el estado de la presión mínima en la línea del proceso. El RTU3 tiene la misma función que el RTU1 sólo que no se tiene una bomba a controlar. Se tiene un sistema simple para el monitoreo del sistema Scada. Se busca evitar las fugas en la línea de alimentación del proceso. La detección puede ser realizada por la diferencia entre el totalizador a la entrada y el totalizador a la salida. Además se tiene un monitoreo continuo de la pérdida de presión en la línea en caso de una fuga de combustible. Cuando alguna de estas condiciones se presenta, en la tabla de datos de la estación maestra se activaría una señal de alarma que tome acción directa sobre el proceso. En esta caso se enviaría una señal para cerrar las válvulas del proceso en forma secuencial. Si es que no se recibe una confirmación que las válvulas se han cerrado, el MTU vuelve a enviar la señal de cierre. Si el problema persiste, se dará una señal de alarma al operador para que tome acción directa sobre el proceso. El MTU en caso de falla y pierda comunicación con los RTU´s deberá recuperar la comunicación en forma automática. Si la comunicación no se llega a establecer se puede activar una rutina que mande detener el proceso. Esto es que los RTU?s manden cerrar sus válvulas y cortar el flujo. La visualización del estado del proceso se hace desde una estación de supervisión que consiste de una PC con un software de supervisión que permita ver el estado de los equipos en forma gráfica.


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Fig. 8.4.2 A continuación se muestra los códigos que son enviados al RTU1 para el control del proceso.

Fig. 8.4.3

8.5 Almacenamiento de datos y Sistemas de Supervisión SCADA ALMACENAMIENTO DE DATOS De la misma manera que un RTU requiere de almacenar ciertos datos de proceso como valores de los medidores de campo aciertos intervalos de tiempo, los MTU requieren mantener ciertos tipos de datos. La habilidad del MTU de pasar la información al nivel de supervisión puede ser inhabilitado por falla de la estación de supervisión. Por tanto, durante el tiempo que la estación de supervisión queda inoperativa, es necesario que el MTU almacene la información de los RTU?s. Para ello, se deberá diseñar el sistema para almacenar los datos por un tiempo prudente hasta que se recupere la estación de supervisión.


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Fig. 8.5 La información a almacenar deberá ser pertinente y que permita al operador tomar decisiones en base a la data histórica que se tiene del proceso. Un ejemplo es el uso de tendencias gráficas para el análisis de las características del proceso. El mejor método para el almacenamiento de datos es utilizar una base de datos relacional que reciba directamente desde el MTU la data y sea almacenado en un formato ODBC que permite que esta data sea posteriormente analizada por otra aplicación del tipo Microsoft.

Fig. 8.5.1 CONEXIÓN A SISTEMAS DE SUPERVISIÓN


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Cuando usted conoce que con una o con dos tecla puede detener su proceso de producción, es necesario tener en cuenta los niveles de seguridad que debemos asignar a nuestro sistema de supervisión. Normalmente las empresas establecen políticas para definir ciertos niveles de acceso al sistema de supervisión de tal manera que un operador inexperto pueda detener el proceso. El sistema de supervisión en la medida de lo posible evitará ser un sistema complejo que impida que el operador se pueda hacer cargo de este sistema. Es por ello que las pantallas gráficas deberán ser en la medida de lo posible, bastante amable. Entre las opciones que deberá tener un sistema de supervisión estarán: • Generación de reportes de producción y mantenimiento en forma automática. • Detección de eventos. • Capacidad de resolver operaciones matemáticas sencillas para liberar un poco la función del MTU.

9. BUSES DE CAMPO 9.1 AS-interface AS-Interface o AS-i es un Bus de Sensores y Actuadores, estándar internacional IEC62026-2 y europeo EN 50295 para el nivel de campo más bajo. Fue diseñado en 1990 como una alternativa económica al cableado tradicional. La idea original fue crear una red simple para sensores y actuadores binarios, capaz de transmitir datos y alimentación a través del mismo bus, manteniendo una gran variedad de topologías que faciliten la instalación de los sensores y actuadores en cualquier punto del proceso con el menor esfuerzo posible. Las especificaciones de AS-i se encuentran actualmente en su versión 3.0. Éstas son de carácter abierto, lo que significa que cualquier fabricante puede obtener una copia de las mismas para elaborar sus productos. [editar] Características principales AS-i se sitúa en la parte más baja de la pirámide de control, conectando los sensores y actuadores con el maestro del nivel de campo. Los maestros pueden ser autómatas o PC


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situados en los niveles bajos de control, o pasarelas que comuniquen la red AS-Interface con otras redes de nivel superior, como Profibus o DeviceNet. Las Características Principales de AS-Interface son: * Ideal para la interconexión de sensores y actuadores binarios. * A través del cable AS-i se transmiten datos y alimentación. * Cableado sencillo y económico. Se puede emplear cualquier cable bifilar de 2 x 1.5 mm2 no trenzado ni apantallado. * El cable específico para AS-i, el Cable Amarillo, es autocicatrizante y está codificado mecánicamente para evitar su polarización incorrecta. * Gran flexibilidad de topologías, que facilita el cableado de la instalación. * Sistema monomaestro, con un protocolo de comunicación con los esclavos muy sencillo. * Ciclo del bus rápido. Máximo tiempo de ciclo 5 ms con direccionamiento estándar y 10 ms con direccionamiento extendido. * Permite la conexión de sensores y actuadores No AS-i mediante módulos activos. * Hasta 124 sensores y 124 actuadores binarios con direccionamiento estándar. * Hasta 248 sensores y 186 actuadores binarios con direccionamiento extendido. * Longitud máxima de cable de 100 m uniendo todos los tramos, o hasta 300 m con repetidores. * La revisión 2.1 del estándar facilita la conexión de sensores y actuadores analógicos. * Transmisión por modulación de corriente que garantiza un alto grado de seguridad. * Detección de errores en la transmisión y supervisión del correcto funcionamiento de los esclavos por parte del maestro de la red. * Cables auxiliares para la transmisión de energía: Cable Negro (24 V DC) y Rojo (220 V AC). * Grado de Protección IP-65/67 para ambientes exigentes. * Cumple la normativa IP-20 para aplicaciones en cuadro. * Temperaturas de funcionamiento entre –25°C y +85°C.


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9.2 CAN CAN (acrónimo del inglés Controller Area Network) es un protocolo de comunicaciones desarrollado por la firma alemana Robert Bosch GmbH, basado en una topología bus para la transmisión de mensajes en entornos distribuidos. Además ofrece una solución a la gestión de la comunicación entre múltiples CPUs (unidades centrales de proceso). El protocolo de comunicaciones CAN proporciona los siguientes beneficios: * Es un protocolo de comunicaciones normalizado, con lo que se simplifica y economiza la tarea de comunicar subsistemas de diferentes fabricantes sobre una red común o bus. * El procesador anfitrión (host) delega la carga de comunicaciones a un periférico inteligente, por lo tanto el procesador anfitrión dispone de mayor tiempo para ejecutar sus propias tareas. * Al ser una red multiplexada, reduce considerablemente el cableado y elimina las conexiones punto a punto, excepto en los enganches. Principales características de CAN CAN se basa en el modelo productor/consumidor, el cual es un concepto, o paradigma de comunicaciones de datos, que describe una relación entre un productor y uno o más consumidores. CAN es un protocolo orientado a mensajes, es decir la información que se va a intercambiar se descompone en mensajes, a los cuales se les asigna un identificador y se encapsulan en tramas para su transmisión. Cada mensaje tiene un identificador único dentro de la red, con el cual los nodos deciden aceptar o no dicho mensaje. Dentro de sus principales características se encuentran: * Prioridad de mensajes. * Garantía de tiempos de latencia. * Flexibilidad en la configuración. * Recepción por multidifusión (multicast) con sincronización de tiempos. * Sistema robusto en cuanto a consistencia de datos. * Sistema multimaestro. * Detección y señalización de errores. * Retransmisión automática de tramas erróneas * Distinción entre errores temporales y fallas permanentes de los nodos de la red, y desconexión autónoma de nodos defectuosos. CAN fue desarrollado, inicialmente para aplicaciones en los automóviles y por lo tanto la plataforma del protocolo es resultado de las necesidades existentes en el área de la automoción. La Organización Internacional para la Estandarización (ISO, International Organization for Standarization) define dos tipos de redes CAN: una red de alta velocidad (hasta 1 Mbps), bajo el estándar ISO 11898-2, destinada para controlar el motor e interconectar la unidades de control electrónico (ECU); y una red de baja velocidad tolerante a fallos (menor o igual a 125 Kbps), bajo el estándar ISO 11519-2/ISO 11898-3, dedicada a la comunicación de


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los dispositivos electrónicos internos de un automóvil como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos. CAN es un protocolo de comunicaciones serie que soporta control distribuido en tiempo real con un alto nivel de seguridad y multiplexación. El establecimiento de una red CAN para interconectar los dispositivos electrónicos internos de un vehículo tiene la finalidad de sustituir o eliminar el cableado. Las ECUs, sensores, sistemas antideslizantes, etc. se conectan mediante una red CAN a velocidades de transferencia de datos de hasta 1 Mbps. De acuerdo al modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection,Modelo de interconexión de sistemas abiertos), la arquitectura de protocolos CAN incluye tres capas: física, de enlace de datos y aplicación, además de una capa especial para gestión y control del nodo llamada capa de supervisor. * Capa física: define los aspectos del medio físico para la transmisión de datos entre nodos de una red CAN, los más importantes son niveles de señal, representación, sincronización y tiempos en los que los bits se transfieren al bus. La especificación del protocolo CAN no define una capa física, sin embargo, los estándares ISO 11898 establecen las características que deben cumplir las aplicaciones para la transferencia en alta y baja velocidad. * Capa de enlace de datos: define las tareas independientes del método de acceso al medio, además debido a que una red CAN brinda soporte para procesamiento en tiempo real a todos los sistemas que la integran, el intercambio de mensajes que demanda dicho procesamiento requiere de un sistema de transmisión a frecuencias altas y retrasos mínimos. En redes multimaestro, la técnica de acceso al medio es muy importante ya que todo nodo activo tiene los derechos para controlar la red y acaparar los recursos. Por lo tanto la capa de enlace de datos define el método de acceso al medio así como los tipos de tramas para el envío de mensajes Cuando un nodo necesita enviar información a través de una red CAN, puede ocurrir que varios nodos intenten transmitir simultáneamente. CAN resuelve lo anterior al asignar prioridades mediante el identificador de cada mensaje, donde dicha asignación se realiza durante el diseño del sistema en forma de números binarios y no puede modificarse dinámicamente. El identificador con el menor número binario es el que tiene mayor prioridad. El método de acceso al medio utilizado es el de Acceso Múltiple por Detección de Portadora, con Detección de Colisiones y Arbitraje por Prioridad de Mensaje (CSMA/CD+AMP, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration Message Priority). De acuerdo con este método, los nodos en la red que necesitan transmitir información deben esperar a que el bus esté libre (detección de portadora); cuando se cumple esta condición, dichos nodos transmiten un bit de inicio (acceso múltiple). Cada nodo lee el bus bit a bit durante la transmisión de la trama y comparan el valor transmitido con el valor recibido; mientras los valores sean idénticos, el nodo continúa con la transmisión; si se detecta una diferencia en los valores de los bits, se lleva a cabo el mecanismo de arbitraje.


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CAN establece dos formatos de tramas de datos (data frame) que difieren en la longitud del campo del identificador, las tramas estándares (standard frame) con un identificador de 11 bits definidas en la especificación CAN 2.0A, y las tramas extendidas (extended frame) con un identificador de 29 bits definidas en la especificación CAN 2.0B. Para la transmisión y control de mensajes CAN, se definen cuatro tipos de tramas: de datos, remota (remote frame), de error (error frame) y de sobrecarga (overload frame). Las tramas remotas también se establecen en ambos formatos, estándar y extendido, y tanto las tramas de datos como las remotas se separan de tramas precedentes mediante espacios entre tramas (interframe space). En cuanto a la detección y manejo de errores, un controlador CAN cuenta con la capacidad de detectar y manejar los errores que surjan en una red. Todo error detectado por un nodo, se notifica inmediatamente al resto de los nodos. * Capa de supervisor: La sustitución del cableado convencional por un sistema de bus serie presenta el problema de que un nodo defectuoso puede bloquear el funcionamiento del sistema completo. Cada nodo activo transmite una bandera de error cuando detecta algún tipo de error y puede ocasionar que un nodo defectuoso pueda acaparar el medio físico. Para eliminar este riesgo el protocolo CAN define un mecanismo autónomo para detectar y desconectar un nodo defectuoso del bus, dicho mecanismo se conoce como aislamiento de fallos. * Capa de aplicación: Existen diferentes estándares que definen la capa de aplicación; algunos son muy específicos y están relacionados con sus campos de aplicación. Entre las capas de aplicación más utilizadas cabe mencionar CAL, CANopen, DeviceNet, SDS (Smart Distributed System), OSEK, CANKingdom.

9.3 Ethernet POWERLINK

Ethernet POWERLINK (conocido también con el acrónimo EPL) es un protocolo de comunicación en tiempo real basado en hardware estándar Ethernet. Su principio de funcionamiento hace que el POWERLINK sea apto para aplicaciones de automatización industrial donde varios elementos de control (autómatas, pantallas de operador, módulos de E/S, variadores de frecuencia, servocontroladores, módulos de seguridad, sensores etc.) tengan que comunicar entre ellos de forma rápida, isócrona y sobre todo precisa (es decir minimizando el tiempo de latencia de la red), garantizando desde luego que el proceso de comunicación sea fiable y repetitivo. POWERLINK no es un hardware, es un software que funciona sobre un hardware estándar.


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Funcionamiento Ethernet POWERLINK en el modelo OSI. En una red Ethernet TCP/IP cada nodo decide de forma autónoma cuando escribir datos en la red. Esta “anarquía” es una posible causa de colisiones: si dos (o más) estaciones deciden al mismo tiempo acceder a la red se genera una colisión. Para evitarla, existe un mecanismo llamado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) que hace que las estaciones retrasen su intento y vuelvan a intentar a escribir en la red después de un tiempo aleatorio. Esta forma de actuar conlleva una desventaja: es imposible prever con certidumbre cuando (o dentro que plazo de tiempo) llegará la información que se está esperando. En casos extremos (muy hipotéticos pero no imposibles) ésta podría no llegar nunca. Una funcionalidad de este tipo resulta inaceptable en automatización industrial, donde es fundamental poder contar con una comunicación fiable, repetitiva, rápida, sincronizada y sin retrasos. En Ethernet POWERLINK no hay colisiones, en cuanto todo está regulado por un nodo manager (MN – Managing Node) que gestiona la comunicación entre los varios nodos de control (CN – Control Node). El MN sincroniza todos los CN entre ellos por medio de una señal de reloj que se repite con una precisión inferior a 100 ns (tiempo de latencia), y que constituye el tiempo de ciclo. Durante cada ciclo, el MN envía a cada CN una petición de envío de sus datos (Poll Request). Los CN contestan inmediatamente a las peticiones (Poll Response) enviando sus datos a la red de forma broadcast para que todos los demás CN (y el mismo MN) los puedan escuchar sin que el MN tenga que hacer de pasarela. Más en detalle, un ciclo de comunicación de POWERLINK consta de tres fases: 1. durante el Start Period el MN envía un Start of Cycle (SoC) a todos los CN para sincronizarlos. 2. el segundo periodo (Cyclic Period) sirve para el intercambio isócrono de los datos entre los nodos de la red. 3. finalmente el último periodo está reservado para la transmisión de datos asíncronos que no son críticos en el tiempo (Acyclic Period). Modelo del mecanismo time-slot. Un ciclo de comunicación consta de una parte en tiempo real con peticiones directas (Poll Request), respuestas de los nodos (Poll Response) y una parte asíncrona para los datos no cíclicos y no críticos. Este mecanismo, llamado SCNM (Slot Communication Network Management), permite alcanzar tiempos de ciclos de pocos cientos de microsegundos, durante los cuales varias estaciones tienen la posibilidad de enviar a la red sus datos.


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Además este sistema admite también la trasmisión de datos asíncronos (por ejemplo tramas TCP/IP encapsuladas o datos de servicio, diagnóstico, debug) durante el mismo tiempo de ciclo. Esta tabla índica el número de estaciones que pueden comunicarse en un tiempo de ciclo: Tiempo de ciclo 200 µs 9 400 µs 21 800 µs 45

No. nodos*

(*)Tramas de 46 byte/nodo, topología árbol Nodos multiplexados Ejemplo de comunicación en POWERLINK donde las estaciones 1, 2 y 3 tienen prioridad máxima y envían datos cada ciclo. Las estaciones de 4 a 10 comparten 3 slots de comunicación y envían sus datos solo cada 3 ciclos de comunicación. POWERLINK prevé también la posibilidad de multiplexar los nodos de más baja prioridad, con el fin de optimizar la comunicación. Por ejemplo, si en una red hay un eje maestro M1 que tiene que enviar su posición y su velocidad a tres ejes esclavos S1, S2 y S3, es importante que éste envié sus datos cada ciclo de comunicación; la información proporcionada por los esclavos tiene prioridad más baja y puede ser más lenta. Por esto es posible configurar el bus de forma que los tres esclavos de éste ejemplo compartan alternativamente el mismo slot de comunicación. La comunicación resulta entonces: * Ciclo i: el maestro M1 envía sus datos (posición, velocidad, estado etc); el esclavo S1 también. Los esclavos S2 y S3 no envían nada. * Ciclo i+1: el maestro M1 y el esclavo S2 envían sus datos; los esclavos S1 y S3 no envían nada. * Ciclo i+2: el maestro M1 y el esclavo S3 envían sus datos; los esclavos S1 y S2 no envían nada. * Ciclo i+3: igual que el ciclo i. POWERLINK integra al 100% las tramas de CANopen, puede encapsular paquetes TCP/IP en el slot asíncrono de su comunicación.


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9.4 Modbus Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del Modelo OSI, basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, diseñado en 1979 por Modicon para su gama de controladores lógicos programables (PLCs). Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto en la industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicos industriales. Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de comunicaciones son: 1. es público 2. su implementación es fácil y requiere poco desarrollo 3. maneja bloques de datos sin suponer restricciones Modbus permite el control de una red de dispositivos, por ejemplo un sistema de medida de temperatura y humedad, y comunicar los resultados a un ordenador. Modbus también se usa para la conexión de un ordenador de supervisión con una unidad remota (RTU) en sistemas de supervisión adquisición de datos (SCADA). Existen versiones del protocolo Modbus para puerto serie y Ethernet (Modbus/TCP).

Existen dos variantes, con diferentes representaciones numéricas de los datos y detalles del protocolo ligeramente desiguales. Modbus RTU es una representación binaria compacta de los datos. Modbus ASCII es una representación legible del protocolo pero menos eficiente. Ambas implementaciones del protocolo son serie. El formato RTU finaliza la trama con un suma de control de redundancia cíclica (CRC), mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia longitudinal (LRC). La versión Modbus/TCP es muy semejante al formato RTU, pero estableciendo la transmisión mediante paquetes TCP/IP.

Modbus Plus (Modbus+ o MB+), es una versión extendida del protocolo y privativa de Modicon. Dada la naturaleza de la red precisa un coprocesador dedicado para el control de la misma. Con una velocidad de 1 Mbit/s en un par trenzado sus especificaciones son muy semejantes al estándar EIA/RS-485 aunque no guarda compatibilidad con este.

Cada dispositivo de la red Modbus posee una dirección única. Cualquier dispositivo puede enviar órdenes Modbus, aunque lo habitual es permitirlo sólo a un dispositivo maestro. Cada comando Modbus contiene la dirección del dispositivo destinatario de la orden. Todos los dispositivos reciben la trama pero sólo el destinatario la ejecuta (salvo un modo especial denominado "Broadcast"). Cada uno de los mensajes incluye información redundante que asegura su integridad en la recepción. Los comandos básicos Modbus permiten controlar un dispositivo RTU para modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar el contenido de dichos registros.


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Existe gran cantidad de modems que aceptan el protocolo Modbus. Algunos están específicamente diseñados para funcionar con este protocolo. Existen implementaciones para conexión por cable, wireless, SMS o GPRS. La mayoría de problemas presentados hacen referencia a la latencia y a la sincronización. Tipos de Datos o Coma Flotante IEEE o entero 32 bits o datos 8 bits o tipos de datos mixtos o campos de bits en enteros o multiplicadores para cambio de datos a/de entero. 10, 100, 1000, 256... Extensiones del Protocolo o direcciones de esclavo de 16 bits o Tamaño de datos de 32 bits (1 dirección = 32 bits de datos devueltos.) 9.5 Profibus Qué es PROFIBUS? PROFIBUS es un estándar de red de campo abierto e independiente de proveedores, donde la interfaz de ellos permite amplia aplicación en procesos, fabricación y automatización predial. Este estándar es garantizado según los estándares EN 50170 y EN 50254. Desde enero de 2000, el PROFIBUS está fuertemente establecido con el IEC 61158, al lado de siete otros fieldbuses. El IEC 61158 se divide en siete partes, de números 61158-1 a 61158-6, con las especificaciones del modelo OSI. Esa versión, que fue ampliada, incluyó el DPV-2. En todo el mundo, los usuarios pueden ahora tener como referencia um estándar internacional de protocolo, cuyo desarrollo busco y aún busca la reducción de costos, flexibilidad, confianza, orientación hasta el porvenir, posibilitar las más variadas aplicaciones, interoperabilidad y múltiples proveedores. Actualmente, calculase por encima de 20 millones de nudos instalados con tecnología PROFIBUS y más de 1000 fabricas con tecnología PROFIGUS PA. Son 23 organizaciones regionales (RPAs) y 33 Centros de Capacidad en PROFIBUS (PCCs), ubicados estratégicamente en varios países, vueltos a proveer soporte a sus usuarios, inclusive en Brasil, en la Escuela de Ingeniería de São Carlos – USP, que tiene el único PCC de América Latina. Más de 1300 socios al rededor del mundo.


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Más de 20 millones de nudos instalados exitosamente. Más de 2800 productos y más de 2000 proveedores de las más variadas aplicaciones. Un largo catálogo de productos se puede obtener en el sitio www.profibus.com. En términos de desarrollo, vale la pena recordar que la tecnología es estable, pero no estática. Las compañías socias de la PROFIBUS Internacional siempre se encuentran en Equipos de Trabajo atentos a las nuevas exigencias del mercado y garantizando nuevos beneficios con la venida de nuevas caracteristicas. En secuencia vamos a conocer algunos puntos-llave de esa tecnología. Más detalles están en la Descripción Tecnica en el sitio www.profibus.com.br.

Figura 9.5 – Comunicación Industrial Profibus. La tecnología de la información tuvo un papel decisivo en el desarrollo de la automación, cambiando jerarquías y estructuras en el ambiente de la oficina, y llega ahora a los más variados sectores del entorno industrial, de las industrias de proceso y manufactura hasta los edificios y sistemas logísticos. La capacidad de comunicación entre instrumentos y el uso de mecanismos estandarizados, abiertos y transparentes son componentes indispensables del moderno concepto de automatización. La comunicación ampliase muy rápido en el sentido horizontal, en los niveles inferiores y aún en el sentido vertical, integrando los niveles jerárquicos de un sistema. Según las características de la aplicación en el costo máximo buscado, la combinación gradual de distintos sistemas de comunicación, tal como: Ethernet, PROFIBUS y AS-Interface, brinda las condiciones ideales de redes abiertas en procesos industriales. A nivel de actuadores/sensores, el AS-Interface es el sistema de comunicación de datos ideal, pues las señales binarias de datos se transmiten a través de un barramiento muy simples y barato, juntamente con la entrada de energía de 24Vdc necesaria para alimentar estos mismos sensores y actuadores. Otra característica importante es que los datos se transmiten cíclicamente, de manera muy eficiente y rápida.


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A nivel de campo, la periferia distribuida, cual: módulos de E/S, transductores, impulsores (drives), válvulas y paneles de operación, trabajan en sistemas de automatización a través de eficaz sistema de comunicación en tiempo real, el PROFIBUS DP o PA. La transmisión de datos del proceso efectuase de manera cíclica, mientras alarmes, parámetros y diagnósticos se transmiten sólo cuando sea necesario, de manera aciclica. A nivel de la celda, los controladores programables, tal como los CLPs y los PCs, se comunican entre ellos, necesitando que grandes paquetes de datos sean transferidos en innúmeras y potentes funciones de comunicación. Además, la integración eficaz con los sistemas corporativos de comunicación existentes, cual: Intranet, Internet e Ethernet, son absolutamente obligatorios. Esta necesidad es llenada por los protocolos PROFIBUS FMS y PROFINet. La revolución de la comunicación industrial en la tecnología de la automatización demuestra mucho potencial en la optimización de sistemas de proceso e hizo una gran contribución a la mejoría del uso de los recursos. Las informaciones siguientes proveen explicación resumida del PROFIBUS como el vínculo central en el flujo de informaciones en la automatización. La arquitectura del PROFIBUS se divide en tres tipos principales:

PROFIBUS DP Esta es la solución de alta velocidad del PROFIBUS. Su desarrollo fue perfeccionado principalmente para comunicación entre los sistemas de automatización y los equipos descentralizados. Es aplicable en los sistemas de control, donde se destaca el acceso a los dispositivos distribuidos de I/O. Es utilizado en sustitución a los sistemas convencionales 4 a 20 mA, HART o en transmisiones de 23 Volts, en medio físico RS-485 o fibra óptica. Requiere menos de 2 ms para transmitir 1 kbyte de entrada y salida y es muy usado en controles con tiempo crítico. Actualmente, 90% de las aplicaciones relativas a esclavos Profibus utilizan el PROFIBUS DP. Esta variedad está disponible en tres versiones: DP-V0 (1993), DP-V1 (1997) e DP-V2 (2002). Cada versión tuvo su origen según el adelanto de la tecnología y la búsqueda de nuevas aplicaciones a lo largo del tiempo.


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Figura 9.5.1 –versiones Profibus.

PROFIBUS-FMS El PROFIBUS-FMS brinda al usuario amplia selección de funciones cuando comparado con otras variedades. Es la solución estándar de comunicación universal usada para solucionar tareas complejas de comunicación entre CLPs y DCSs. Esa variedad soporta la comunicación entre sistemas de automatización, además del cambio de datos entre equipos inteligentes, y es usada, en general, a nivel de control. Debido a su función primaria establecer la comunicación maestro-a-maestro (peer-to-peer) viene siendo reemplazada por aplicaciones en la Ethernet. PROFIBUS-PA El PROFIBUS-PA es la solución PROFIBUS que satisfaz las exigencias de la automatización de procesos, donde hay la conexión de sistemas de automatización y los sistemas de control de proceso con equipos de campo, tal como: transmisores de presión, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Puede usarse para reemplazar el estándar 4 a 20 mA. Existen ventajas potenciales en utilizarse esta tecnología, que subrayan las ventajas funcionales (transmisión de informaciones confiables, tratamiento de estatus de las variables, sistema de seguridad en fallos, equipos con capacidad de auto-diagnosis, alcance de los equipos, alta resolución en mediciones, integración con el control discreto en alta velocidad, aplicaciones en cualquier sección, etc.). Además de los beneficios económicos pertinentes a las instalaciones (reducción hasta 25% en algunos casos en comparación con los sistemas convencionales), menos tiempo de puesta en marcha, ofrece un aumento sensible de funcionalidad y seguridad. El PROFIBUS PA permite medición y control a través de línea de dos hilos simples. También permite accionar los equipos de campo en zonas con seguridad intrínseca. El PROFIBUS PA permite aún el mantenimiento y la conexión/desconexión de equipos mismo durante la operación, sin afectar otras estaciones en zonas de potencial explosivo. El PROFIBUS PA fue


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desarrollado en cooperación con los usuarios de la Industria de Control y Proceso (NAMUR), cumpliendo con las exigencias de esa zona de aplicación: El perfil original de la aplicación en la automatización del proceso y la interoperabilidad de los equipos de campos de distintos fabricantes. Adición y remoción de estaciones de barramiento mismo en zonas con seguridad intrínseca, sin afectar otras estaciones. Comunicación transparente a través de los acopladores de la sección entre el barramiento de automatización del proceso PROFIBUS PA y el barramiento de automación industrial PROFIBUS DP. Impulsión y transmisión de datos en el mismo hilo doble basado en la tecnología IEC 61158-2. Uso en zonas potencialmente peligrosas con blindaje explosiva tipo “con seguridad intrínseca” o “sin seguridad intrínseca”. La conexión de los transmisores, conversores y posicionadores de red PROFIBUS DP se hace con un acoplador DP/PA. El par torcido de hilos es utilizado en la impulsión y la comunicación de datos de todos los equipos, resultando en la instalación más fácil y en el bajo costo de hardware, menos tiempo de iniciación, mantenimiento libre de problema, bajo costo de software de ingeniería y alta confianza en la operación. Posteriormente, en otras ediciones abordaremos el PROFINET. Todas las variedades del PROFIBUS se basan en el modelo de comunicación de redes OSI (Open System Interconnection), cumpliendo con el estándar mundial ISO 7498. Debido a las exigencias del campo, sólo los niveles 1 y 2, además del nivel 7 del FMS, son instalados, por razones de eficiencia.

Figure 9.5.2 – Arquitectura de comunicación de Protocolo PROFIBUS RS 485: EL MEDIO FÍSICO MÁS APLICADO DEL PROFIBUS La transmisión RS486 es la tecnología de transmisión más utilizada en el PROFIBUS, aunque la fibra óptica pueda usarse en largas distancias (más de 80 km). Em seguida vienen las principales caracteristicas:


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Transmisión asíncrona NRZ. Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 Mbit/s, seleccionable. Par torcido con blindaje. 32 estaciones por sección, máx. 127 estaciones. Distancia según la tasa de transmisión (tabla 1). 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m. Distancia extensible hasta 10 km con el uso de repetidoras. Conector D-Sub de 9 Pinos. En general, aplicase en zonas conteniendo alta tasa de transmisión, instalación sencilla y bajo costo. La estructura del barramiento permite adicionar o remover estaciones sin afectar otras estaciones con expasiones posteriores sin ningún efecto en estaciones ya en funcionamiento. Cuando se configura el sistema, sólo una tasa de transmisión es seleccionada para todos los dispositivos del barramiento. Hay que procesarse la terminación activa del barramiento en el comienzo y en el fin de cada sección, según la figura 3, y en mantener la integridad de la señal de comunicación, los dos terminadores deben energizarse.

Figura 9.5.3 – Cableado y terminación de transmisión RS-485 en PROFIBUS. En casos de más de 32 estaciones o redes densas, deben utilizarse repetidoras. Lo largo máximo de cableado depende de la velocidad de transmisión, según la tabla 1. Baud (kbit/s)

rate

Largo/Sección (m)

9.6

19.2

93.75 187.5 500

1200 1200 1200

1000

400

1500 2000 200

100


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Bibliografia

[McMill99] Process / Industrial Instruments and Controls Handbook, G.K. McMillan, D.M. Considine et al. McGraw-Hill 5th. ed., 1999. ISBN: 0-07-012582-1.

[DI 982] Handbook of Industrial Automation, Richard L. Shell & Ernest l. Hall, Marcel Dekker, Inc. 2000. ISBN: 0-8247-0373-1.

[681.324 COM] Comunicaciones en el entorno industrial, J. Domingo Peña et al. Biblioteca Multimedia Industria. Editorial UOC, 2003. ISBN: 84-9788-004-8.

[681.5 DIS] Diseño y aplicaciones con autómatas programables, Joan Domingo Peña et. al. Biblioteca Multimedia Industria. Editorial UOC, 2003. ISBN: 84-8429-030-1.

[681.5 INT] Introducción a los autómatas programables, Joan Domingo Peña et. al. Biblioteca Multimedia Industria. Editorial UOC, 2003. ISBN: 84-8429-028-X.

[621.3 ROD] Desarrollo de sistemas secuenciales, Antonio Rodríguez Mata, Julián Cócera Rueda. Paraninfo, 2000. ISBN: 84-283-2731-9. [621.3 INS] Instrumentación Electrónica, Miguel A. Pérez García, Juan C. Álvarez et al. Thomson, 2004. ISBN: 84-9732-166-9. Paginas WEB consultadas http://grupos.emagister.com/alta/?tipoItem=2&idItem=39662 http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_industrial/transductoressensores/default7.a sp http://www.instrumentacionycontrol.net/ http://www.scribd.com/doc/2634854/MODELOS-MATEMATICOS-DE-SISTEMASFISICOS http://www.smar.com/espanol/profibus.asp http://es.wikipedia.org/wiki/Bus_de_campo


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