Capitulo 4. Configuración y mando de los PLC
Los conceptos básicos que fueron tratados en la unidad 1, nos proporcionan las herramientas necesarias para efectuar soluciones de automatización en cualquier maquinaría del tipo industrial teniendo en cuenta las características externas o de hardware con las que interactúa el PLC, además son los mínimos conocimientos que se requieren para tal finalidad, y de ahí podemos partir para su implementación en procesos complejos.
Así entonces, en estos capítulos y lecciones posteriores, nos vamos a introducir en el funcionamiento interno del PLC; recordemos que un manejo y utilización correcta de los PLC es fundamental si queremos obtener de él una eficacia mínima. Específicamente en este capítulo se va a estudiar el proceso que se debe seguir para la puesta en funcionamiento, la forma o procedimiento general que se va a utilizar para realizar una correcta programación, algunos ejemplos de conexionado de elementos a entradas y actuadores a las salidas, así como las reglas mínimas que han de seguirse para una correcta instalación, puesta en servicio. Queremos dejar también aclarado que no deben confundirse los términos puesta en funcionamiento con puesta a punto y en servicio. En el primer caso, nos referimos al proceso inicial necesario para poder realizar la programación y comprobar su funcionamiento en cualquier PLC, aunque los ejemplos principales están referidos a los PLC Siemens, que son los que existen en los laboratorios de la UNAD, también se mencionaran generalidades para otros PLC y, en el segundo, al proceso final una vez realizadas todas las conexiones necesarias para poner en servicio la instalación o proceso.
Lección 16 – Introducción Introducción a la programación
Los primeros autómatas programables surgieron debido a la necesidad de sustituir los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y relés. Por lo tanto, la comunicación hombre-máquina debía ser similar a la utilizada hasta ese momento. El lenguaje utilizado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación.
Con el tiempo estos lenguajes evolucionaron de tal forma que algunos de ellos ya no tenían nada que ver con el típico plano eléctrico a relés, además de haber evolucionado siguiendo caminos distintos. Todo esto unido al incremento en la complejidad de los procesos a automatizar, no hizo más que complicar el uso de aquello que se creó con una finalidad bien distinta. Con el fin de subsanar este problema la dirección del IEC (estándar internacional) ha elaborado el estándar IEC 1131-3 para la programación de PLC's, con la idea de desarrollar el estándar adecuado para un gran abanico de aplicaciones.
En la unidad 1, observamos que existían diversas forma de programación, es decir que hay varias formas de introducirle el programa al PLC; esto se puede conseguir usando un programador manual, hand programer, o un computador principal. Cuando se tienen varios PLC de un mismo fabricante y diferentes modelos se debe conseguir un programador compatible con cada uno de ellos. Este aparato no es aconsejable cuando los programas son complejos y por el contrario es bastante útil cuando los programas son cortos. Si se tienen controladores de diferentes marcas y modelos de diferentes fabricantes es aconsejable usar un computador portátil o en red para hacerle las correcciones y programaciones a los diferentes controladores, no sin antes mencionar que por cada fabricante se debe tener un programa con su respectiva licencia.
Un programa de computadora es una sucesión, o lista, o conjunto, de distintas órdenes o de instrucciones que producirán la ejecución de una determinada tarea por parte del PLC. A su vez, una instrucción u orden de trabajo es la parte más pequeña de un programa y consta de dos partes principales: operación y operando; a su vez el operando está dividido en símbolo y parámetro.
En esencia, un programa es una respuesta predeterminada, a todas las posibles combinaciones de estados de la información que recibe. El proceso de programación de un PLC es, por consiguiente, un proceso, en cuyo desarrollo se requieren cada uno de los siguientes pasos: 1. Definición y análisis del problema: Este es el paso más importante, tener claridad de que se necesita. Este análisis debería incluir el resultado de un estudio de los riesgos de operación. 1.1. ¿Qué resultados debe proporcionar el sistema? Que salidas, sobre que debe actuar. 1.2. ¿Qué datos se necesitan para determinar el resultado? Que debe medir o vigilar (Entradas) 1.3. ¿Cómo debe reaccionar ante perdida de información? Como debe reaccionar si no puede medir variables que necesita vigilar. 1.4. ¿Cómo debe reaccionar ante fallas de sí mismo? Capacidad de auto diagnostico. 2. Definición de la arquitectura del hardware necesario (entradas/salidas, redundancia, auto-diagnóstico, entre otros). 3. Diseño de los algoritmos. 4. Programación del código, en los lenguajes de programación. 5. Depuración y verificación del programa (pruebas efectivas). Lección 16.1 – Definición Definición de Algoritmo
Un algoritmo es una secuencia de pasos (instrucciones o reglas) para llevar a cabo una tarea específica. Los algoritmos son independientes tanto del lenguaje de programación en que se expresan, como de la maquina que los ejecuta. Al diseñar un Algoritmo lo que se está haciendo realmente es: diseñar un método propio sobre la forma como entiendo el problema y la toma de decisiones que debo efectuar para solucionarlo. Las características fundamentales que debe cumplir todo algoritmo son: La definición de un algoritmo debe describir tres partes: Entrada, Proceso y Salida. Un algoritmo debe ser preciso e indicar el orden de realización de cada paso. Un algoritmo debe estar definido. Ante las mismas condiciones de entradas, siempre debe obtener es el mismo resultado. Un algoritmo debe ser finito. Debe de tener un número finito de pasos. (En
ninguna situación se puede quedar “pensado” en un ciclo infinito.
Todo programa de computador es un conjunto de algoritmos desarrollado por alguien que necesitaba resolver un problema o generar una aplicación para resolverlos. Un ejemplo sencillo de lo que puede ser un algoritmo es el siguiente:
Problema: Se tiene un motor y se desea que con un botón se encienda y con otro se desea que pare. Análisis para el algoritmo: Cuáles son las entradas, para dar órdenes al sistema tendría: Un Botón de partida o que me inicie el giro del motor Un Botón de parada o que me detenga el giro del motor Que es lo que debo procesar: Preguntar el estado del motor, es decir saber si está girando o si está detenido, para aplicar la operación contraria cuando se desee. Cuales son Salidas, que debo obtener del sistema: Un orden de marcha o detención hacia el motor, que se pueda generar a través de un comando. Lógica del algoritmo: Preguntar: el motor está girando “O” esta activado botón de partida “Y” no está activado botón de parada?, Entonces esta activo el comando de marcha, De lo contrario enviar y activar el comando detener. Lección 16.2 – Métodos Métodos de programación
Existen dos métodos posibles de generar un programa: Programación estructurada. Programación por Módulos o modular.
Lección 16.2.1 – Programación Programación Estructurada.
La programación estructurada es la forma clásica de programar en forma secuencial o incluir las órdenes consecutivamente. Podríamos decir que es lo contrario a la programación orientada a objetos (clases, eventos). La programación estructurada utiliza solo 3 tipos de estructuras: Secuencias Selección (Instrucción condicional) Interacción (repetición condicional)
Cada una de estas estructuras puede a su vez contener otras de estas mismas estructuras, a esto se le llama "anidamiento". Tomando como ejemplo el algoritmo desarrollado en la lección anterior, tendríamos:
Otro ejemplo diferente podría ser:
En este ejemplo anterior podemos detectar tiene un error, ¿Lo reconociste? Un programa debe tener una respuesta predeterminada, a todas las posibles combinaciones de estados de la información que este recibe, entonces nos preguntamos ¿Que ocurre en este ejemplo si x es igual a y? que debería hacer el programa?; Por esta razón se pueden identificar unas ventajas y unas desventajas en este tipo de programación: Ventajas de la programación estructurada Los programas son más fáciles de entender, pueden ser leídos de forma secuencial para entender la lógica. La estructura de los programas es clara, puesto que las instrucciones están más ligadas o relacionadas entre sí. Reducción del esfuerzo en las pruebas y depuración. El seguimiento de los errores del programa se facilita debido a su estructura más sencilla y
comprensible, por lo que los errores se pueden detectar y corregir más fácilmente. Reducción de los costos de mantenimiento. Análogamente a la depuración, durante la fase de mantenimiento, modificar o extender los programas resulta más fácil. Los bloques de código son casi auto-explicativos, lo que reduce y facilita la documentación.
Desventajas de la programación estructurada El principal inconveniente de la programación estructurada es que se obtiene un único bloque de programa, que cuando se hace demasiado grande, puede resultar problemático para el manejo de su código fuente por su gran extensión. Esto se resuelve empleando, en forma conjunta tanto las técnicas de programación estructurada como las de programación modular. En la actualidad una conjunción entre la "Programación estructurada" y la "programación modular" es la más utilizada, en la programación de PLC, en la que los módulos tienen una estructura jerárquica en la que se pueden definir funciones dentro de funciones. Lección 16.2.2 – Programación Modular.
La programación modular consiste en dividir un programa en módulos o subprogramas con el fin de hacerlo más legible y manejable.
Históricamente la programación modular, es una evolución de la programación estructurada, para solucionar problemas de programación más grandes y complejos. En otras palabras con la programación modular lo que se hace es dividir un problema complejo en varios sub-problemas más simples, y estos a su vez en otros sub problemas más simples, sucesivamente hasta que se obtiene un sub-problema lo suficientemente simple como para poder ser resuelto fácilmente (divide y vencerás). Cada modulo, es una parte de un programa, y es lo que en informática se conoce como "sub-rutina" y/ o "función". Tradicionalmente se denomina “función” al sub programa que devuelve un resultado. Podemos alimentar una “función” con datos y esta nos entregará un resultado, sin necesitar tener que ocuparnos de su funcionamiento interno.
Como ejemplo de función, en la imagen se muestra la función “SQRT -real” esta es
una función ya existente que viene con el sistema, simplemente le damos un valor
y nos devuelve otro valor que es la raíz cuadrada del anterior. De la misma manera podemos crear nuestras propias funciones para lo que necesitemos.
La ventaja de usar un sub programa que sea una “función” es que podemos
aplicar muchas veces el mismo algoritmo para distintos datos, escribiendo una sola vez el código (algoritmo en lenguaje de programación), sin tener que escribir repetidas veces el mismo código. Una subrutina o función, solo se ejecuta cuando es llamada desde dentro de otro programa, y hace que el programa principal se detenga, porque "le pasa" la ejecución a la sub rutina. El programa que llamo a la sub rutina, solo continuará su ejecución, cuando la sub rutina termina, y le “devuelve" e l resultado. Lección 16.2.3 – Tipos de variables
Recordemos que en programación, una variable es un espacio reservado en la memoria, que pueden cambiar de contenido a lo largo de la ejecución de un programa.
Las variables se representan con identificadores ("Tag") que hacen referencia al lugar de la memoria en donde se almacena un dato.
Respecto a su ámbito, una variable puede ser:
Variable Local: Cuando la misma sólo es accesible desde el sub programa al que pertenece, no pudiendo ser leída o modificada desde otro sub programa.
Variable Global: Cuando la misma es accesible desde todos los sub programas de la aplicación.
En un PLC todas sus entradas y salidas siempre son variables globales. Las variables internas solo serán globales si específicamente se las define como tales. De lo contrario solo serán locales del sub programa dentro del cual están definidas. La ventaja de usar variables locales, es que evitamos tener un gigantesco listado de variables globales, difícil de manejar.
Respecto a su tipo, una variable puede ser:
Tipo Lógica: ("booleana") Verdadero / Falso (1/0). Tipo Entero: un valor entero entre 0 y n. Donde n depende de la cantidad de bytes con que trabaje el sistema, (y si usa o no un bit para representar el signo). Por ejemplo: 2 bytes = 2x8 bits = 16bits ----- 2 elevado a 16 = 65536. El valor máximo seria 65535 Tipo Real o "coma flotante": El rango valido y su exactitud varía según la cantidad de bytes con que trabaje el sistema (cociente + exponente). Por ejemplo: 314,16 = 3,1416 x 10 elevado 2 Tipo caracteres (String): Es una secuencia de números enteros, que representa una secuencia de caracteres (letras o signos) de un determinado alfabeto. Según el tamaño de memoria que usan, se acostumbra hablar de:
Lección 16.3 – Lenguajes de programación I
Los lenguajes de programación son necesarios para la comunicación entre el usuario (sea programador u operario de la máquina o proceso donde se encuentre el PLC) y el PLC. La interacción que tiene el usuario con el PLC la puede realizar por medio de la utilización de un cargador de programa (loader Program) también reconocida como consola de programación o por medio de un PC (computador Personal).Tenga en cuenta que: En procesos grandes o en ambientes industriales el PLC recibe el nombre también de API (Autómata Programable Industrial) y utiliza como interface para el usuario pantallas de plasma, pantallas de contacto (touch screen) o sistemas SCADA (sistemas para la adquisición de datos, supervisión, monitoreo y control de los procesos), cuyo contenido no serán presentados ni tenidos en cuenta en este curso.
El programa de usuario está formado por la reunión de todas las instrucciones programadas y las convencionales para el tratamiento de las señales, que tienen que ser controladas en el proceso desde el PLC, de acuerdo a las necesidades de los trabajos a realizar.
Los lenguajes de programación para PLC son de dos tipos, visuales o gráficos y escritos. Los visuales o gráficos: admiten estructurar el programa por medio de símbolos gráficos, similares a los que se han venido utilizando para describir los sistemas de automatización, planos esquemáticos y diagramas de bloques.
Los escritos: son listados de sentencias que describen las funciones a ejecutar.
El programa de usuario debe ser organizado utilizando bloques funcionales o módulos, que corresponden a un bloque cerrado que constituye una función completa e individualizando cada organismo o unidad de proceso. Lección 16.3 – Lenguajes de programación II
Mediante la organización del programa, se determina cuáles y en qué orden de los módulos realizados por el usuario, se tienen que ejecutar. Dentro de los estándares comerciales más usados, se definen 5 lenguajes de programación. Esto es, que su sintaxis y semántica se acomodan a los protocolos establecidos internacionalmente por la IEC 61131para programación de PLC; Una vez que usted los haya entendido, podrá aplicarlos a una gran cantidad de sistemas que están basados en estos estándares, además podrá utilizar el que más se le facilite para programar los PLC.
Dentro de los lenguajes existentes para programación de PLC, encontramos que son 2 de tipo textual y 3 de tipo grafico:
Gráficos secuenciales (Graphe de Comande Etape Transition “GRAFCET” – Secuential Function Chart “SFC”) Diagrama de bloques funcionales (Function block diagram – FBD) Texto estructurado (Structured text – ST) Nemónicos o lista de Instrucciones (Instruction list – IL)
Diagrama Escalera (Ladder Diagram – LD)
Los dos últimos lenguajes de programación se han extendido y son fáciles de programar, adicionalmente casi todos los fabricantes los tienen incorporados, por lo tanto en este curso nos vamos a enfocar mucho más en estos dos, obviamente sin dejar de exponer los otros lenguajes de programación; además algunos fabricantes han implementado “mejoras” en sus lenguajes de programación que a
la final sólo lo hacen engorroso de manejar y en ocasiones los usuarios deben pagar cantidades exorbitantes por efectuar alguna modificación sencilla y se vuelven esclavos de un servicio. Encontrara en su vida profesional que muchas veces, las grandes máquinas vienen con un PLC incluido, que resulta difícil de trabajar porque su programa viene protegido contra lectura o escritura, además el programa está desarrollado para realizar solo esta tarea específica de controlar la maquina; en los casos donde se requiere entrar a optimizar el funcionamiento de los equipos, tanto PLC como maquina, es aconsejable resetear el PLC y reprogramar o modificar a los nuevos parámetros e instrucciones pretendidas. Lección 16.3.1 – Gráficos secuenciales (Graphe de Comande Etape Transition “GRAFCET” – Secuential Function Chart “SFC”)
Surgió en Francia a mediados de los años 70, y fue creado por una agrupación de algunos fabricantes de autómatas, en concreto Telemecanique y Aper, junto con dos organismos oficiales, AFCET (Asociación Francesa para la Cibernética, Economía y Técnica y ADEPA (Agencia Nacional para el Desarrollo de la Producción Automatizada). Fue homologado en Francia (NFC), Alemania (DIN), y con posterioridad por la Comisión Electrotecnia Internacional (IEC 848, en 1998). Los lenguajes gráficos que proveen una representación diagramática de secuencias de control en un programa como el SFC, que es similar a un diagrama de flujo, se puede organizar los subprogramas o subrutinas (programadas en LD, FBD, IL y/o ST) que forman el programa de control. SFC es particularmente útil para operaciones de control secuencial, donde un programa fluye de un punto a otro una vez que una condición ha sido satisfecha (cierta o falsa). El marco de programación de SFC contiene tres principales elementos que organizan el programa de control: Pasos (etapas) Transiciones (condiciones) Acciones
El programa irá activando cada una de las etapas y desactivando la anterior conforme se vayan cumpliendo cada una de las condiciones. Las acciones se realizarán en función de la etapa activa a la que están asociadas. Por ejemplo, la
etapa 1 activa tras arrancar el programa, al cumplirse la "Condición 1", se activará la etapa 2, se desactivará la 1, y se realizará la "Acción 1". Por ejemplo:
Ejemplo 1 de diagrama SFC Como se mencionó anteriormente, el lenguaje SFC tiene su origen en el estándar francés GRAFCET (GRAFica de Control de Etapas de Transición). El GRAFCET también utiliza etapas, transiciones y acciones, que operan de la misma manera como en SFC. Este lenguaje describe la evolución de un proceso que se pretende controlar, indicando las acciones que hay que realizar sobre dicho proceso y que informaciones provocan el realizar una u otra acción. Este lenguaje divide el ciclo de proceso en un cierto número de pasos bien definidos, y en transiciones que los separan. Este lenguaje es el núcleo del estándar IEC 1131-3. Los otros lenguajes se usan para describir las acciones realizadas en cada uno de los pasos, y para describir las condiciones lógicas para pasar de una etapa a otra (Transiciones): Normalizado: International Electrotechnical Commision IEC 848 Una de las mejores herramientas para representar automatismos secuenciales
Ejemplo 2 de diagrama GRAFCET Puede clasificar las acciones que suceden dentro del proceso:
Internas: acciones que se producen en el equipo de control, por ejemplo temporizaciones, contadores, cálculos matemáticos, etc. Externas: las acciones que se producen sobre el proceso, por ejemplo abrir o cerrar una válvula, activar o desactivar una bomba, etc. El paso de una etapa a la siguiente se realiza dependiendo de si se cumple o no la condición de transición entre ellas. Toda transición lleva asociada una condición de transición o función lógica booleana que se denomina receptividad, y que puede ser verdadera o falsa. Se dice que la transición está validada, cuando la etapa o etapas anteriores a la
transición están activadas. El franqueamiento de la transición se producirá si, y sólo si, la transición esta valida da y la receptividad es verdadera. Algunas normas para tener en cuenta: La etapa inicial de un Grafcet se activa de forma incondicional. Esta situación inicial se corresponde en general con una situación de reposo. Una transición está en disposición de ser validada cuando todas las etapas inmediatamente precedentes, unidas a dicha transición, están activadas. La activación de una transición se produce cuando está validada y la condición de transición o receptividad es verdadera. Se podría definir una etapa como activable cuando la transición precedente esta validada. Franquear una transición implica la activación de todas las etapas siguientes inmediatas, y la desactivación de las inmediatas precedentes. Transiciones conectadas en paralelo, se activan de forma simultánea si se cumplen las condiciones para ello. Una o varias acciones se asocian a cada etapa. Estas acciones sólo están activas cuando la etapa esta activa.
Lección 16.3.2 – Diagrama de bloques funcionales (Function block diagram – FBD)
Es un lenguaje gráfico que permite al usuario construir procedimientos complejos mediante la unión de bloques funcionales prediseñados. Este lenguaje gráfico también describe una función entre las variables de entrada y variables de salida, como un conjunto de bloques elementales, que están conectados por líneas de conexión, al igual que un circuito eléctrico.
Generalmente utilizan símbolos lógicos para representar al bloque de función. Las salidas lógicas no requieren incorporar una bobina de salida, porque la salida es representada por una variable asignada a la salida del bloque.
El diagrama de funciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a técnicos habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la simbología usada en ambos es equivalente.
Adicionalmente a las funciones lógicas estándares y específicas del vendedor, el lenguaje FBD de la Norma IEC 1131-3 permite al usuario construir sus propios bloques de funciones, de acuerdo a los requerimientos del programa de control.
Características: Las salidas de los bloques funcionales no se conectarán entre sí. La evaluación de una red estará terminada antes de la siguiente.
A continuación se ilustran las compuertas lógicas en lenguaje FBD, y algunos ejemplos funcionales con su representación en FBD:
(A) – (AND) – (B) (A) – (OR) – (B)
Ejemplo funcional No. 1:
Ejemplo funcional No. 2:
NOT (A)
Lección 16.3.3 – Texto estructurado (Structured text – ST)
Este es un lenguaje estructurado de alto nivel, que es estructurado en bloques y sintácticamente similar a Pascal, aunque sus raíces provienen de Ada y C, pero más intuitivo para el ingeniero de control, por que usa subrutinas para llevar a cabo diferentes partes de las funciones de control y paso de parámetros y valores entre las diferentes secciones del programa.
Al igual que LD, FBD e IL, el lenguaje de texto estructurado utiliza la definición de variables para identificar entradas y salidas de dispositivos de campo y cualquier otra variable creada internamente.
Contiene todos los elementos esenciales de un lenguaje de programación moderno, incluyendo selección del flujo de ejecución condicional (IF-THEN-ELSE y CASE OF) y lazos de iteración o calculo repetitivo (FOR, WHILE y REPEAT), que pueden ser anidados. Además soporta operaciones Booleanas (AND, OR, NOT) y una variedad de datos específicos, tales como fecha, hora.
La programación en Texto Estructurado es apropiada para aplicaciones que involucran manipulación de datos, ordenamiento computacional y aplicaciones matemáticas que utilizan valores de punto flotante. ST es el mejor lenguaje para la implementación de aplicaciones de inteligencia artificial, lógica difusa, toma de decisiones, entre otros. Este lenguaje resulta excelente para la definición de bloques de función complejos o procedimientos que no pueden ser expresados mediante lenguajes gráficos. Por ejemplo:
Dentro de las ventajas del lenguaje de Texto Estructurado aplicado a PLC, tenemos:
Soporta instrucciones aritméticas complejas. Soporta instrucciones anidadas. Soporta ciclos de iteración (repeat – until, while – do) Soporta ejecución condicional (If – Then – Else, Case) Es fácil agregar comentarios que explican la lógica. Todo lo que está entre (* y *) es un comentario y no se ejecuta.
Lección 16.3.4 – Nemónicos o lista de Instrucciones (Instruction list – IL)
Es un lenguaje de bajo nivel basado en operaciones Booleanas y cuya apariencia es similar al código del lenguaje ensamblador; se podría afirmar también que este lenguaje no es más que la representación en forma de texto del lenguaje gráfico "Ladder". Es el más antiguo de los lenguajes de programación de PLC. Precursor del Ladder se usaba cuando los computadores aun no tenían capacidad gráfica. En este lenguaje cada instrucción se basa en las definiciones del álgebra de álgebra lógica.
A continuación relacionan en forma de nemónico las instrucciones y se indica su funcionalidad:
Como se mencionaba, el lenguaje Booleano utiliza la sintaxis del Álgebra de Boole para ingresar y explicar la lógica de control. Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos, haciendo uso de operadores Booleanos (AND, OR, NOT, etc.) y otras instrucciones nemónicas, para implementar el circuito de control. El lenguaje “Lista de Instrucciones” (IL) de la Norma IEC 1131 -3, es una forma de lenguaje Booleano.
Ejemplo de programación Booleana:
Este lenguaje al igual que el LADDER, serán vistos a profundidad en la medida que avance el curso, puesto que son los más utilizados en la programación de PLC. Lección 16.3.5 – Diagrama Escalera (Ladder Diagram – LD) I
Tiene sus raíces en USA. Dé los distintos tipos de lenguaje de programación de un PLC, que existen actualmente, quizás el más común sea el LADDER, también denominado lenguaje de contactos o de escalera, es un lenguaje de programación gráfico muy popular dentro de los Controladores Lógicos Programables (PLC), debido a que está basado en los esquemas eléctricos de control clásicos, es decir, está basado en la representación grafica de la lógica de relevadores. De este modo, con los conocimientos que todo técnico eléctrico posee, es muy fácil adaptarse a la programación en este tipo de lenguaje. Su principal ventaja es que los símbolos básicos están normalizados según normas NEMA y son empleados por todos los fabricantes. Los diagramas de escalera son esquemas de uso común para representar la lógica de control de sistemas industriales. También es conocido como plano de contactos, esquema de contactos (KOP), pero popularmente se le llama diagrama "escalera” porque se asemejan a una escalera, con dos rieles verticales (de
alimentación) y "escalones" (líneas horizontales), en las que hay circuitos de control que definen la lógica a través de funciones. De esta manera las principales características del lenguaje ladder son:
El esquema se realiza entre dos líneas o barras de alimentación dispuestas verticalmente a ambos lados del diagrama, entre ellas se dibujan los elementos del lenguaje. Estos carriles de alimentación son las líneas de suministro de energía L1 y L2 para los circuitos de corriente alterna y 24 V y tierra para los circuitos de CC.
A la derecha del esquema se ubican los elementos de salida y a la izquierda se situaran los elementos de entrada.
El diagrama puede tener varias ramas o escalones. La mayoría de los PLC permiten más de una salida por cada renglón (Rung).
Cada rama permite ubicar varios elementos de entrada pero sólo uno de salida.
El procesador (o "controlador") explora peldaños de la escalera de arriba a abajo y de izquierda a derecha, en otras palabras, el sentido de programación de los bloques de contactos de un programa de ejecuta en el sentido de arriba abajo y en cada bloque de contactos se realiza en el orden de izquierda a derecha.
Las instrucciones de entrada son las condiciones que tiene el circuito para dejar o no dejar pasar la corriente de una línea a la otra. Estas condiciones se manejan comúnmente con contactos normalmente abierto o normalmente cerrados los
cuales interpretan las señales de alto y bajo de sensores o interruptores. Si las condiciones son verdaderas la corriente llega a las instrucciones de salida las cuales generan acciones como energizar la bobina de un motor o energizar una lámpara por ejemplo. De esta forma el paso de la corriente a las bobinas de salida están condicionadas por la lógica que manejen las instrucciones de entradas. Un PLC tiene muchas terminales "de entrada” y también muchos terminales de
salida, a través de los cuales se producen las señales "alta" o "baja" que se transmiten a las luces de energía, solenoides, contactores, pequeños motores y otros dispositivos que se prestan a control on / off. En un esfuerzo por hacer PLC fácil de programar, el lenguaje de programación ladder fue diseñado para asemejarse a los diagramas de lógica de escalera. Por lo tanto, un electricista industrial o ingeniero eléctrico, acostumbrados a leer esquemas de lógica ladder se sentirán más cómodos con la programación de un PLC si se maneja con el lenguaje ladder. Este lenguaje al igual que el LADDER, serán vistos a profundidad en la medida que avance el curso puesto que son los más utilizados en la programación de PLC.
Desventajas del lenguaje ladder: Es el más adecuado para controlar los problemas, donde sólo las variables discretas (boleanas) son necesarias y/o donde son el problema principal de control. Es difícil manipular las variables analógicas y expresar las operaciones aritméticas. Tiene un soporte muy limitado para las matrices y bucles, resultando a menudo en la duplicación de código.
Lección 17 – Instalación y Familiarización del software
En esta lección se revisaran y se describirán los pasos a seguir en la instalación de los software más comerciales, desarrollados por los fabricantes más importantes que han conseguido posicionar en el mercado sus PLC. Se debe tener presente que la familiarización del software solo va a estar enfocada hacia el STEP 7-Micro/WIN el cual es la licencia de software existente en la UNAD para la programación de los PLC S7-200 de SIEMENS. Sin embargo, cuando tenga la habilidad de programar en esta plataforma, podrá migrarse a las otras con facilidad, puesto que las instrucciones y su forma de introducirlas en las líneas de programa tienen cambios que no son tan significativos y podrá entenderlos con facilidad. Recuerde que estos SOFTWARE requieren que los usuarios cuenten con todos los derechos administrativos sobre los PC en los cuales se van a instalar y los Licenciamientos correspondientes para el normal funcionamiento de todas sus
aplicaciones. Un software con licencia “pirata” podría generar la desactivación d e
algunas librerías importantes para que el programa corra bien. Lección 17.1 – Instalación de RS LINX - RS LOGIX 500 Pro y Instalación de RS EMU 500 del Fabricante ROCKWELL - I
A continuación se explicara de forma sencilla los pasos que se deben seguir para la instalación del software RS LINX del fabricante Rockwell que es una de las empresas líderes en el mercado de productos y servicios de automatización con su línea de PLC Allen Bradley: 1- En el CD titulado “ROCKWELL SOFTWARE” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, deberá entrar al directorio denominado “1) RSLinx”, que para este ejemplo será la versión “2.43”.
2- A continuación e jecutar con un doble click en el mouse “Setup.exe” 3- Visualizara una ventana como la que se muestra a continuación, donde tendrá que Seleccionar la opción 5. Install RSLinx:
4- El siguiente paso es Presionar el botón Next
5- En la siguiente ventana deberá Seleccionar “ I accept…” y presionar el botón Next.
6- A continuación deberá completar el campo “User Name” con el nombre que usted prefiera, por ejemplo “Estudiante” y de igual forma el campo “Organization” con un nombre como por ejemplo “home”; después de lo anterior presionar el botón “ Next”.
7- En la siguiente ventana se recomienda dejar por defecto las opciones que trae deshabilitadas, sin embargo, si usted ya tiene experiencia en el manejo del
software puede habilitar las que considere conveniente incluir en la instalación; cuando haya terminado Presionar el botón “ Next”.
8- Posteriormente se debe presionar el botón “Install”.
9- Finalmente se debe “Deshabilitar” la opción “ Review…” y presionar el botón “Finish”.
10- En algunos puede aparecer un mensaje como el que se muestra a continuación. Cuando aparezca este mensaje presionar el botón “ No”.
Lección 17.1 – Instalación de RS LINX - RS LOGIX 500 Pro y Instalación de RS EMU 500 del Fabricante ROCKWELL - II
Hasta este momento hemos concluido la instalación del RSLinx; Procederemos ahora a instalar el siguiente programa de Rockwell denominado RS LOGIX500Pro, cuya instalación es similar al primer programa: 1- En el CD titulado “ROCKWELL SOFTWARE” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, RSLogix500pro\Pro”:
deberá
entrar
al
directorio
denominado
“2)
2- A continuación e jecutar con un doble click en el mouse “Setup.exe” 3- Visualizara una ventana como la que se muestra a continuación, donde tendrá que Seleccionar la opción “ Next”:
4- En la siguiente ventana deberá Seleccionar “ I accept…” y presionar el botón Next.
5- A continuación deberá completar el campo “User Name” con el nombre que usted prefiera, por ejemplo el mismo que escribió en el anterior “Estudiante” y de igual forma el campo “Organization” con un nombre como por ejemplo “home”; Además como nota importante, deberá rellenar “ 111111” en el sitio correspondiente, y después de lo anterior presionar el botón “ Next”.
6- En la siguiente ventana se recomienda dejar por defecto la opción “ Complete” y Presionar el botón “ Next”.
7- Posteriormente se debe presionar el botón “Install”.
8- Finalmente se debe “Deshabilitar” la opción “ Yes, Install…” y presionar el botón “Finish”.
Lección 17.1 – Instalación de RS LINX - RS LOGIX 500 Pro y Instalación de RS EMU 500 del Fabricante ROCKWELL - III
Terminada la instalación del RS LOGIX500Pro, procederemos ahora a instalar el siguiente programa de Rockwell denominado RS EMU 500, cuya instalación es similar a los anteriores programas: 1- En el CD titulado “ROCKWELL SOFTWARE” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, deberá entrar al directorio denominado “3) RSEmu500 en versión 5.20\5.00.08”:
2- A continuación e jecutar con un doble click en el mouse “Setup.exe” 3- Visualizara una ventana como la que se muestra a continuación, donde tendrá que Seleccionar la opción “ Next”:
4- En la siguiente ventana deberá Seleccionar “ I accept…” y presionar el botón Next.
5- A continuación deberá completar el campo “User Name” con el nombre que usted prefiera, por ejemplo el mismo que escribió en el anterior “Estudiante” y de igual forma el campo “Organization” con u n nombre como por ejemplo “home”; Además como nota importante, deberá rellenar “ 111111” en el sitio correspondiente, y después de lo anterior presionar el botón “ Next”.
6- En la siguiente ventana se recomienda dejar por defecto la opción “ Complete” y Presionar el botón “ Next”.
7- Posteriormente se debe presionar el botón “Install”.
8- Finalmente se debe presionar el botón “ Finish”.
Lección 17.1 – Instalación de RS LINX - RS LOGIX 500 Pro y Instalación de RS EMU 500 del Fabricante ROCKWELL - IV
Pasos para arrancar el RS EMU 500:
Configurar y arrancar un driver en RSLinx (SLC 500 Emulator Driver) en Estacion No.1 En RS Emulate abrir un proyecto (la aplicación que se quiera simular) en Estacion No.2 y ejecutar RUN Abrir RSLogix y en Comms ejecutar "Who Active Go Online". Con el boton derecho del mouse sobre las instrucciones booleanas, se puede inverter el estado de la variable con la opcion “Toggle Bit”
Instalación de Licencias RS:
Es necesario instalar tantas licencias como paquetes Rockwell se encuentren instalados en la máquina. A continuación se describe el procedimiento de instalación de las licencias:
Colocar el CD o DVD de licencias en la unidad lectora de la PC o acceder al directorio de almacenamiento donde las tenga guardadas. Ejecutar la aplicación Inicio \ Programas \ Rockwell Software \ Utilities \ Move Activation –32 bit
A continuación se abrirá una ventana, donde deberá Seleccionar “ From Device” la letra de la unidad donde está ubicado el archivo de licencia y en “ To Device” la letra de la unidad donde está instalado el sistema operativo, que generalmente es la letra “ C”; luego presionar el botón OK.
Presionar el botón Move. Al hacer esto se transfieren las licencias que haya seleccionado desde la unidad óptica o Pendrive hacia el disco duro donde este alojado el sistema operativo y por defecto el software de Rockwell.
A continuación se ven cuales fueron las licencias instaladas en la PC. Presionar el botón “ OK”.
Con esto queda finalizado la instalación del software de Rockwell para la programación de PLC de esta marca, y se considera que debería funcionar bien.
Lección 17.2 – Instalación de CONCEPT 2.6 del Fabricante SCHNEIDER ELECTRIC - I
A continuación se explicara de forma sencilla los pasos que se deben seguir para la instalación del software CONCEPT 2.6 del Fabricante SCHNEIDER ELECTRIC que también es una de las empresas líderes en el mercado de productos y servicios en automatización y suministros para manejo de energía eléctrica: 1- En el CD titulado “SCHNEIDER–CONCEPT2.6+SR1+SR2/MODSOFT” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, deberá entrar al directorio denominado “Concept 2.6 + SR1+ SR2\CONCEPT 2.6”:
2- A continuación e jecutar con un doble click en el mouse “Install.exe” 3- Visualizara una ventana como la que se muestra a continuación, donde tendrá que Seleccionar la opción “Spanish” para instalar este software en idioma
español:
4- El siguiente paso es seleccionar la opción “Install Concept”:
5- A continuación aparecerá una ventana con un mensaje, al cual deberá presionar el botón “ Aceptar ”:
6- En la siguiente ventana deberá presionar el botón “ Siguiente”:
7- A continuación aparecerá una ventana con la explicación sobre los licenciamientos y sus condiciones; después de haber leído detenidamente y si está de acuerdo con lo que se propone en esta lectura, deberá p resionar el botón “Si”
8- En la siguiente ventana se recomienda Presionar el botón “ Siguiente” dejando el directorio que pone por defecto:
9- Posteriormente aparecerá la selección de grupo de programas donde se debe Presionar el botón “Siguiente”:
10- Nuevamente aparecerá una ventana informativa, donde se recomienda instalar complementos adicionales al programa para que su funcionamiento sea optimo. Se debe Presionar el botón “Aceptar”:
11-
Finalmente debemos quitar el seleccionador de la opción “Readme” y
presionar el botón “Finalizar”:
Lección 17.2 – Instalación de CONCEPT 2.6 del Fabricante SCHNEIDER ELECTRIC - II
Hasta este momento hemos concluido la instalación del CONCEPT 2.6; Procederemos ahora a instalar el siguiente programa de recomendado por SCHNEIDER ELECTRIC, denominado Service Release 1 ( SR1), cuya instalación es similar al primer programa: 1- En en el CD titulado “SCHNEIDER – CONCEPT 2.6 + SR1 + SR2 / MODSOFT” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, entrar al directorio “ Concept 2.6 + SR1+ SR2\SR1”:
2- Buscamos y ejecutamos el archivo denominado “Install.exe”. 3- En la ventana que se abre, se debe seleccionar la opción “Spanish” para instalar este software en idioma español:
4- Seleccionar la opción “Install Service Release 1”:
5- En la ventana de bienvenida, Presionar el botón “ Siguiente”:
6- En la ventana de opciones de instalación, seleccionar la opción “ Actualización de Concept 2.6 XL/M/S” y presionar el botón “ Siguiente”:
7- Para la siguiente ventana, presionar el botón “ Siguiente” dejando el directorio que pone por defecto.
8- En la ventana de selección de componentes se debe escoger que se desea instalar, aunque se recomienda que por defecto se deje todo seleccionado, y luego presionar el botón “Siguiente”:
9- En la ventana de selección de grupo de programas, solo se debe p resionar el botón “Siguiente”:
10-
Finalmente se debe “ Destildar” la opción “Readme” y presionar el botón “Finalizar”.
Lección 17.2 – Instalación de CONCEPT 2.6 del Fabricante SCHNEIDER ELECTRIC - III
A continuación, después de concluida la instalación Service Release 1 ( SR1); Procederemos ahora a instalar el siguiente complemento denominado Service Release 2 (SR2), cuya instalación es similar al primer programa: 1- En en el CD titulado “SCHNEIDER – CONCEPT 2.6 + SR1 + SR2 / MODSOFT” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, entrar al directorio “ Concept 2.6 + SR1+ SR2\SR2”:
2- Buscamos y ejecutamos el archivo denominado “ Install.exe”. 3- En la ventana de selección de idioma, es cogemos la opción “ Spanish” para instalar este software en idioma español:
4- En la siguiente ventana se debe seleccionar la opción “ Install Service Release 2”:
5- En la ventana de Bienvenida, Presionar el botón “ Siguiente”:
6- En la ventana de opciones de instalación, seleccionar la opción “ Actualización de Concept 2.6 XL/M/S” y presionar el botón “ Siguiente”:
7- Para la siguiente ventana, presionar el botón “ Siguiente” dejando el directorio que pone por defecto.
8- En la ventana de selección de componentes se debe escoger que se desea instalar, aunque se recomienda que por defecto se deje todo seleccionado, y luego presionar el botón “ Siguiente”:
9- En la ventana de selección de grupo de programas, solo se debe presionar el botón “Siguiente”:
10- Finalmente se debe “Destildar” la opción “Readme” y presionar el botón “Finalizar ”.
Lección 17.2 – Instalación de CONCEPT 2.6 del Fabricante SCHNEIDER ELECTRIC IV
Después de concluida la instalación de los Service Release 1 y 2 ( SR1 y SR2); Procederemos entonces a instalar los licenciamientos requeridos y luego el siguiente complemento denominado Service Release 3 ( SR3), cuya instalación es similar a los anteriores programas:
1- En en el CD titulado “SCHNEIDER – SR3 for CONCEPT 2.6” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, entrar al directorio “ SR3 for Concept 2.6\SR3\src_26.sr3”:
2- Buscamos y ejecutamos el archivo denominado “ Install.exe”. 3- En la ventana de selección de idioma, escogemos la opción “ Spanish” para instalar este software en idioma español:
4- En la siguiente ventana se debe seleccionar la opción “ Install Service Release 3”:
5- En la ventana de opciones de instalación, seleccionar la opción “ Actualización de Concept 2.6 XL/M/S” y presionar el botón “ Siguiente”:
6- Para la siguiente ventana, presionar el botón “ Siguiente” dejando el directorio que pone por defecto.
7- En la ventana de selección de componentes se debe escoger que se desea instalar, aunque se recomienda que por defecto se deje todo seleccionado, y luego presionar el botón “ Siguiente”:
8- En la ventana de selección de grupo de programas, solo se debe presionar el botón “Siguiente”:
9- Finalmente se debe “Destildar” la opción “Readme” y presionar el botón “Finalizar ”.
Por último nos falta instalar las autorizaciones respectivas para trabajar en este software, lo que se efectúa en unos sencillos pasos como se muestra a continuación: 10- En en el CD titulado “SCHNEIDER – CONCEPT 2.6 + SR1 + SR2 / MODSOFT” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, entrar al directorio “ Concept 2.6 + SR1+ SR2\AUTORIZACION”:
11- Buscamos y Copiar el archivo “ Authorcc.dat” 12- Ahora se debe Pegar el archivo copiado (“Authorcc.dat”) en el directorio en el cual se ha instalado Concept. Por defecto este directorio es “ C:\Concept”; si usted modifico el directorio, deberá recordarlo y buscarlo para pegarlo en este sitio.
13- Por lo general se despliega una ventana de confirmación, donde se pregunta si desea reemplazar otro archivo que existe con el mismo nombre; Se debe presionar el botón “ Si” para aceptar el reemplazo del archivo:
14- Ahora en su CD titulado “SCHNEIDER – CONCEPT 2.6 + SR1 + SR2 / MODSOFT” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, entrar y copiar la carpeta “ MODSOFT” que se encuentra en este directorio, y pegarla en el directorio “ C:\”:
15- Crear un acceso directo en el escritorio a Modsoft.exe y colocarle el icono MODSOFT.ICO. También colocarlo en el menú Inicio\ Programas\ Modsoft.
16- Con esto queda en listo para su uso; Este software no requiere ejecutar un setup. Lección 17.3 – Instalación de S7-200 MicroWin del Fabricante SIEMENS
Hemos revisado hasta este momento, dos software de fabricantes diferentes y su forma de instalación, pero no nos hemos adentrado en situaciones de funcionalidad o de programación. Esto porque el mayor contenido temático de este curso se enfoca a los PLC del fabricante SIEMENS, puesto que, como se ha mencionado antes, en algunos laboratorios de la UNAD se tienen entrenadores de instrumentación, automatización y control con PLC S7-200. Por lo tanto se hará mas énfasis en este software y en la medida que avance el curso se revisaran las programaciones y las instrucciones a utilizar. Tenga en cuenta que aprender a programar en un determinado software no es impedimento para migrar con facilidad a otro, ya que en lecciones anteriores observábamos que existen unos protocolos internacionales que se deben cumplir lo que hace que los diferentes programas existentes en el mercado sean similares en instrucciones y en formas de programación. A continuación se explicara de forma sencilla los pasos que se deben seguir para la instalación del software S7-200 MicroWin del Fabricante SIEMENS que es una empresa reconocida a nivel mundial en el mercado de productos y servicios en automatización e instrumentación industrial: 1- En el CD titulado “SIEMENS – MicroWin / Simulador” o si ha descargado alguna versión del programa desde internet, deberá entrar al directorio denominado “MicroWin”:
2- A continuación ejecutar con un doble click en el mouse “ Setup.exe” 3- Visualizara una ventana como la que se muestra a continuación, donde tendrá que Seleccionar la opción de idioma “ Español” y luego dar click en “ Aceptar ”:
4- En la ventana de Bienvenida, Presionar el botón “ Siguiente”:
5- Posteriormente en el contrato de licencia y condiciones del software, deberá presionar el botón “Si”, obviamente si considera que está de acuerdo con todo lo que se explica en el texto, de lo contrario cierre el programa y desista de su instalación:
6- En la ventana de destino de instalación, generalmente se deja por defecto la ruta que propone el software. Solo cámbiela si lo considera necesario. Luego presione el botón “ Siguiente”:
7- El siguiente paso es importante porque selecciona la interface de programación que se va a utilizar al momento de enviar el programa al PLC. Se recomienda que para los inexpertos o las personas que apenas están iniciando su confrontación con un PLC, lo hagan con intermedio del cable “PPI”. Por lo tanto verifique que esa opción esta seleccionada “ PC/PPI cable(PPI)” y luego dar click en el botón “ Aceptar ”: ”:
8- Observara que aparece una ventana donde se hace la recomendación de reiniciar el PC antes de empezar a utilizar el programa. Sera su decisión si quiere reiniciarlo en ese instante, o si lo desea reiniciar después, por ejemplo porque está efectuando alguna otra tarea o desarrollando otro trabajo con el PC. Cualquiera que sea su elección, no olvide que es importante que antes de usar el “S7 -200 MicroWin” se haya reiniciado el PC y pulsar en el botón “Finalizar ”: ”:
9- Por último instalaremos de Simulador S7-200, para lo cual debemos acceder al CD titulado “SIEMENS – MicroWin / Simulador” o a la ubicación donde haya
efectuado la descarga del programa desde internet, copiar la carpeta “Simulador ” al disco donde este el si stema operativo del PC instalado, que por lo general es el “ C:\”
10- Para correr el simulador, ejecutar “ S7_200.exe” Lección 18 – Mirada Mirada general del Hardware Siemens modelos S7
En el capitulo anterior revisamos temáticas referentes a las partes y componentes externos de un PLC y en general las partes fundamentales que lo conforman, específicamente el modelo S7-200, pero ahora enfocaremos nuestro objetivo de
aprendizaje en los módulos internos del equipo, de tal manera que podamos darle una mirada a las formas de conexión y probablemente podamos efectuar algunos montajes que nos simulen los procesos reales tal como suceden en la industria.
Recordemos que externamente el PLC S7-200 se distribuye en los siguientes módulos:
Lección 18.1 – Cableado del PLC para montaje de ejercicios
En la medida que nuestro curso avanza se hace necesario iniciar los montajes para hacer pruebas prácticas que consoliden las temáticas que se van
aprendiendo. Por tal motivo se debe conocer muy bien como seria la forma de conexión del PLC Siemens S7-200 para asegurar su buen funcionamiento. Revisemos entonces los esquemáticos de conexión y tenga en cuenta como advertencia que si no sigue las instrucciones se pueden producir daños personales y materiales:
Este esquema de montaje se puede utilizar conectando a las salidas del PLC dispositivos discretos como luces Pilotos, con las cuales se pueda correr el programa cargado en el equipo y verificar su correcto funcionamiento según las
posiciones de los simuladores de entrada (1/0). Debe tener en cuenta en el esquemático: Coloque los cables marcados en negrilla tal como lo muestra el esquema. El cable gris está fijado a la maqueta sólo de forma mecánica. Los extremos del cable gris pueden conectarse indistintamente en L+ y 1L.
Si necesita una aplicación más específica, por ejemplo, conectando un actuador (relé) a un motor, se podría utilizar el siguiente esquema de montaje:
En caso que necesite ocupar más espacios de salidas, deberá tener presente, según las especificaciones de cada PLC, la cantidad máxima de salidas discretas
y análogas disponibles; Por ejemplo, a continuación se muestra un esquema de ocupación de bornes del S7-200 para una CPU 221:
Lección 19 – Modos de operación del Hardware Siemens modelos S7 - I
Dependiendo del tamaño del proceso industrial, que normalmente se puede cuantificar por medio de la bandeja de señales de entradas y salidas que se necesiten dentro del proceso, mantiene una relación directamente proporcional con el tamaño de entradas y salidas con las que debe contar un PLC para poder asumir el control de todas estas variables. Ahora no solo el PLC cumple una labor importante dentro del sistema de automatización, sino que también el papel que juegan elementos secundarios como la fuente de alimentación para instrumentación o el caso de los contactores también los correlacionan con la optima funcionalidad del entorno industrial. Las fuentes de alimentación para instrumentación y para el PLC son fuentes reguladas que proveen las tensiones necesarias para alimentar las diferentes secciones que se tienen internamente en el PLC o externamente con los dispositivos conectados en sus entradas y salidas (I/O). Por lo general, estas fuentes también son de tipo swiching que con un mínimo de componentes, un alto rendimiento y bajo volumen puede alimentar con facilidad el PLC. Por un lado la
fuente tiene una entrada de tensión para alimentarse, en el rango de 120V a 240V (tensiones estándar en la industria) y la frecuencia puede estar entre los 50Hz y 60Hz para ser utilizados indistintamente en Europa o en América. También vienen con tensiones de alimentación de salida de 5VDC, 12VDC o 24VDC que sirven para accionar las entradas al PLC y evitar fuentes de alimentación externas adicionales. Esta fuente sólo se puede usar para alimentar unos pocos sensores y todos los pulsadores, llaves selectores, swiches, entre otros.
Conexionado de entradas y salidas: La eficaz puesta en funcionamiento de los PLC pasa necesariamente por una correcta conexión de los elementos de entrada, en las entradas y los actuadores en las salidas. De esta forma, conseguiremos las ventajas siguientes: El buen funcionamiento y ausencia de averías por esta causa. La limitación en el número de entradas y salidas que se van a utilizar. La importancia del conocimiento de las características de entradas del PLC, hace que pueda quedar plenamente comprendida, y el estado de ellas va a depender del proceso con el que estemos trabajando. Como las entradas del PLC son terminales de conexión en donde se le van a conectar sensores, pulsadores, o cualquier otros dispositivo o elemento (ver unidad 1) que sirva para tomar datos desde el exterior y llevarlos al interior para que el PLC para que él los analice y, de acuerdo con un programa, accione algunas salidas que modifiquen el proceso. En el mercado existen dos tipos de entradas, recordemos que pueden ser entradas análogas y las entradas discretas. Las más utilizadas son las digitales o discretas, ya que son de bajo costo, inmunes al ruido y están aisladas eléctricamente. Una entrada típica se puede observar en las siguientes figuras:
Entradas:
Entrada al PLC digital para corriente continua
Entrada al PLC digital para corriente alterna Como se puede ver en el diagrama, para accionar una entrada sólo se necesita encender un LED de un opto-acoplado y la entrada ya se ha accionado. Este conexionado permite que la tensión de trabajo del dispositivo de entrada coincida con la tensión de entrada al PLC, en nuestro caso particular 24Vcc. En la figura siguiente, se puede observar un ejemplo aplicado a un sensor de proximidad (tipo P), para la disposición del conexionado de este tipo de entradas.
Hay otro tipo de entrada que no es tan usada y en algunos procesos es bastante útil y en otros procesos resulta un poco sobredimensionada y costosa; es la llamada entrada análoga, esta entrada sirve para monitorear variables entre unos rangos, que pueden expresarse como corrientes o en
tensiones dependiendo del sensor utilizado. El esquema general de este tipo de entrada se puede observar en la siguiente figura:
Diagrama de bloques de una entrada análoga Como se ve, esta entrada viene directamente acoplada a un conversor análogo digital; por tal razón este tipo de entrada es costosa, puede ser influenciada por el ruido eléctrico de la empresa, presenta un aislamiento eléctrico mínimo que puede ser quebrantado con facilidad. Este tipo de entrada sólo recibe señales codificadas entre 4 a 20mA, 0 a 10V, 0 a 5V (puede haber otros rangos de tensión), es importante, antes de adquirir este tipo de entrada, consultar al fabricante del sensor a conectar y el fabricante del PLC, ya que estos no siempre producen los mismos estándares.
Lección 19 – Modos de operación del Hardware Siemens modelos S7 - II Salidas: las
salidas son swiches que sirven para accionar elementos dentro de un proceso industrial. En los contactos de salida del PLC se conectan las cargas o actuadores, bien a través de otros elementos de mando, como pueden ser los contactores, relés, etc., ó directamente si las condiciones de corriente máxima lo permiten. Las salidas son de tres tipos distintos: Salidas a transistores Salidas a SCR Salidas a relés La elección en el momento de su uso, de un tipo u otro ha de venir pensado en función de los tipos de carga que se le vayan a acoplar. Salidas a transistores (CC): Se utilizan para manejar cargas de corriente continua, de bajas capacidades, también cuando las cargas sean del tipo de poco consumo, rápida respuesta y alto número de operaciones, como
es el caso de circuitos electrónicos, se deben utilizar estos tipos de salidas. Algunas ventajas que tienen los transistores son: Su vida es superior a la del relé. Rápidos Silenciosos. No soportan sobrecargas ni cortocircuitos. Pueden manejar salidas de forma PWM. Su configuración es de colector abierto. Las tensiones de las cargas a manejar son bajas. El mantenimiento es bajo. Se pueden usar en ambientes con polvo y corrosivos.
Salida típica con transistores
Salidas a SCR (Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silicio (CA): Este tipo de salida suele utilizarse cuando el valor de la corriente es alto (del orden de amperios) y donde las conmutaciones son demasiado rápidas. Son empleadas en cargas de contactores, electroválvulas, entre otras; estas salidas sólo funcionan para corrientes alternas y algunas de sus características son: Son silenciosas. Su velocidad es relativamente alta. No soportan sobrecargas ni corto-circuitos. Se puede variar la potencia manejada por medio de control de ángulo de fase. Trabajan con corrientes medias. Pueden Manejar cargas hasta de 440V. El mantenimiento es bajo. Se pueden usar en ambientes con polvo y corrosivos.
Salidas con SCR Salidas a relés (CA o CC): Este tipo de salida suele utilizarse cuando el consumo tiene cierto valor (corrientes no tan altas) y donde las conmutaciones no son demasiado rápidas. También son empleadas en cargas de contactores, electroválvulas, entre otras; este tipo de salida es el más usado por sus características que se muestran a continuación: Son lentas. Son ruidosas. Soportan sobrecargas y cortocircuitos. Pueden manejar bobinas de contactores con c.c. o c.a. Pueden manejar tensiones tan altas como 600V. Su mantenimiento es periódico. Al accionar cargas pueden producir chispas, por tal razón, hay que tener cuidado al usarlo en ambientes explosivos. Presentan una vida limitada en cuanto a número de accionamientos. Si se usan en ambientes con polvo o corrosivos pueden presentar malos funcionamientos.
Salidas con relés Es importante destacar que la mayoría de cargas que van a manejar los PLC no se pueden accionar directamente sino debe hacerse por medio de contactores u otros elementos; Sabemos ya que los actuadores son todos los elementos conectados a las salidas, sean estos elementos de actuación directa, o elementos de mando. Antes de conectar elemento alguno a las salidas de los PLC, habremos de analizar y tener en cuenta las siguientes limitaciones:
1- La tensión que se vaya a aplicar en cada juego de contactos del relé ha de ser única: en cada relé, por tanto, podremos aplicar tantas tensiones distintas como relé tenga el PLC. 2- El margen de los valores de tensiones que se vaya a aplicar tanto en CA, como en CC, están indicados en las características técnicas de cada PLC. 3- Se sumarán las intensidades demandadas por los elementos conectados a cada grupo de contactos y se comprobará que no supere la intensidad máxima que nos indiquen sus características; los valores son distintos para CA y CC. Cuando el consumo de una carga o bobina del contactor sobrepase el valor disponible en el grupo de salidas, se colocará un relé intermedio de bajo consumo.
Lección 19 – Modos de operación del Hardware Siemens modelos S7 - III
Recordemos internamente como seria la distribución física de un RELE y un CONTACTOR:
Relé Electromecánico: Pese a ser los más antiguos siguen siendo los más utilizados en multitud de aplicaciones. Un electroimán provoca la basculación de una armadura al ser excitado, cerrando o abriendo los contactos dependiendo de si es NA (normalmente abierto) o NC (normalmente cerrado).
Relé sin activar
Relé activado
Imagen de un relé Electromecánico El contactor: Es un aparato de maniobra automática con poder de corte; por consiguiente puede cerrar o abrir circuitos con carga o en vacío. Se le define como un interruptor accionado o gobernado a distancia por acción de un electroimán.
Contactor sin activar
Contactor activado
Imagen de un Contactor Imagen de un gabinete de control, incorporando contactores
Partes principales del contactor Lección 19 – Modos de operación del Hardware Siemens modelos S7 - IV
Circuitos protectores: Como sabemos, las cargas en las salidas se pueden clasificar en: cargas en CC. y cargas en CA. En la mayoría de los casos, las
cargas aplicadas a las salidas suelen ser circuitos inductivos como, por ejemplo, bobinas de contactores y relés. La desconexión de estos da lugar a picos de tensión - transitorios de alto valor. En el caso de cargas en CC, los circuitos a acoplar serían los que corresponden a las siguientes figuras, para circuitos con reducido número de maniobras.
La figura que se muestra a continuación es para cuando el número de maniobras es elevado. Cuando las cargas son del tipo resistivo, no es necesario acoplar circuito alguno.
En CA nos podemos encontrar, generalmente, con dos casos: Que la carga sea de alta inductancia. Que la carga sea de alta impedancia. En el primer caso, el circuito más conveniente es el de la siguiente figura:
En el segundo caso, puede ocurrir que la intensidad de fuga del circuito RC interno, y durante algunos segundos, mantenga alimentada la bobina de alta impedancia del contactor de salida. El circuito que se va a utilizar en este caso es el de la siguiente figura, pero calculando los valores de R y C.
La conexión de los contactos de salida del PLC con los relés térmicos de protección contra sobre-corrientes, esquemáticamente se conectarían de la siguiente forma:
Las ventajas e inconvenientes que presentan con esta posibilidad son las siguientes:
En función del programa establecido un contacto de un relé térmico puede detener únicamente el proceso del actuador al cual esté protegiendo o detener el proceso completo. En este último caso y conectando todos en serie, en el caso de contactos NC o paralelo si NA, es suficiente con un solo contacto de entrada, según puede apreciarse anterior. Las posibilidades que nos ofrecen los relés térmicos son dos: Utilizar el contacto normalmente cerrado, NC: en este caso la bobina del contactor se alimentará directamente, ya que el contacto NC se utiliza en la entrada. Utilizar el contacto normalmente abierto, NA: al utilizar en una entrada del PLC el contacto NA, el contacto NC puede o no ser utilizado en la salida, si se utiliza tendremos doble protección.
Como desventaja podemos citar, que necesitamos una entrada por cada relé térmico, o grupo en paralelo o serie, lo que nos puede incrementar éstas considerablemente, y como consecuencia, necesitaremos un PLC con más entradas. La conexión en el circuito de salida significa ahorrarse el correspondiente circuito de entrada, pero no nos dará indicación de avería en la señalización de salida o LED, aunque lógicamente la bobina del contactor quede desactivada. En este caso sólo se detendrá el actuador que esté protegiendo.
Contactos de confirmación: En la mayoría de los procesos industriales una avería o parada en alguno de los elementos que lo integran puede traer como consecuencia unas pérdidas económicas importantes, si en la programación del mismo no se han tenido en cuenta estas posibilidades, esto es, la incidencia que en el resto del proceso puede tener la paralización o incorrecto funcionamiento de una sola máquina. Un procedimiento utilizado para corregir esta posibilidad es el usar contactos de confirmación, esto es, contactos de determinada parte de un proceso situados sobre otra parte de ese mismo proceso, que condiciona su parada o marcha.
Lección 19 – Modos de operación del Hardware Siemens modelos S7 - V
Posibilidades de conexiones especiales en las salidas: A continuación figuran algunas de las posibilidades de conexión de los actuadores en las salidas del PLC. La comprensión de estos ejemplos hará que nos encontremos en condiciones de dar solución a cualquier otra necesidad que se nos presente. Conexión en un grupo de cuatro salidas comunes o de igual tensión: En este caso, tal y como muestra la siguiente figura, es necesario que: a) Las tensiones de los elementos acoplados sean iguales, y que esta tensión esté dentro de los márgenes indicados por las especificaciones del PLC.
b) Que la intensidad total y las intensidades parciales se encuentren también dentro de los mismos márgenes.
Acoplamiento
directo e indirecto de cargas: En algunos casos, cuando el consumo de una carga es muy pequeño se puede acoplar ésta directamente a la salida, como es el caso del tubo fluorescente y de la lámpara en la siguiente figura. En el resto de los casos el mando ha de hacerse a través de relés, contactores, electroválvulas, entre otros.
Acoplamiento
de actuadores de gran consumo: Cuando el consumo de intensidad, por ejemplo, de la bobina de un contactor que controla un determinado motor es superior a la que puede soportar un contacto de salida del PLC, los procedimientos que se pueden seguir son los siguientes: Utilizar dos o más contactos de salida puenteados o unidos. Este procedimiento no es recomendable, en general, debido al valor que económicamente representa un contacto de salida. Una manera de realizar esto es situar un relé intermedio, K1 en la figura que se muestra a continuación, y cuyo consumo de intensidad sea aceptada por el contacto de salida del PLC; el contacto de dicho relé en serie con la bobina del contactor K2 sí puede soportar esa intensidad. Si el valor de la tensión en ambas bobinas es idéntico, el circuito a utilizar sería:
Y si las tensiones son distintas nos encontraremos con el circuito de la figura siguiente:
A continuación se presentan un ejemplo de cómo quedarían las Conexiones de entradas y salidas estándar para los componentes básicos de un PLC Siemens S7-200: En este ejemplo podemos ilustrar una planta de almacenamiento de agua con dos tanques ubicados en un mismo sector donde se tiene que vigilar si un tanque está lleno o vacio y de tal forma esta encendiendo o apagando la bomba para llenarlo. Por lo tanto podríamos agregar en las entradas del PLC algunos elementos como:
Entradas: I0.0: Contacto detector presencia sector 1 (S1/55) I0.1: Contacto de seguridad sector 2 (S2/56) I0.2: Contacto detector planta A (SA/57) I0.3: Contacto libre para externo I0.4: Final de carrera de niveles bajos (L FDC/59) I0.5: Interruptor para niveles altos (H FDC/60) I0.6: Switch parada de emergencia (CMD/61)
I0.7: Interruptor para desagüe total (AU/62) I1.0: Switch vigilancia Motobomba (SC/34)
Para el mismo ejemplo, como elementos de acción podríamos tener una electroválvula que me permita el paso del agua hacia el tanque, algunos indicadores de nivel y una bomba que me permita llenar un poco más rápido los tanques específicos.
Salidas: Q0.0: Solenoide de la válvula (EV / 20) Q0.1: Luz ámbar de nivel alto (FJ / 21) Q0.2: Luz rojo para nivel bajo (FR / 22) Q0.3: Default Q1.0: Contactor del motor (CT / 39)
Lección 20 – Simbologías
Sabemos ya, que el PLC es un equipo autónomo con la capacidad de control y mando sobre otros equipos de proceso, donde normalmente su conexionado físico y eléctrico se presenta a través de planos. Estos planos no solo mostraran el PLC como tal, sino que para los ambientes de trabajo de los procesos industriales, estos gráficos plasmaran las conexiones eléctricas, de funcionalidad o de maniobra de los demás equipos como válvulas, motores, líneas de aire a presión, entre otros y pueden brindar cierta información que debe ser considerada relevante. A continuación ilustraremos ejemplos de simbologías que se pueden encontrar en los procesos automatizados. Lección 20.1 – Simbologías usuales en los Planos y Diagramas de proceso e instrumentos
Instrumento Montado Localmente Instrumento Montado en Frente Panel Instrumento Montado en Rack Línea de Señal de Presión de Aire Línea de Señal Eléctrica Línea de Proceso Se pueden dar informaciones complementarias. Ejemplo: circuito de corriente trifásica, 380 V, 50 Hz, tres conductores de 120 mm, con hilo neutro de 70 mm Polaridad positiva Polaridad negativa Neutro Tierra - Se puede dar información adicional sobre el estado de la tierra si su finalidad no es evidente. Masa – Chasis - Se puede omitir completa o parcialmente las rayas si no existe ambigüedad. Si se omiten, la línea de masa debe ser más gruesa.
Equipotencialidad
Lámpara, símbolo general.
Válvula Mariposa
Válvula de Retención
Válvula de Dos Vías
Válvula de Tres Vías a Solenoide
Válvula auto-regulada
Cilindro neumático con Posicionador
Válvula de Control Con Posicionador Neumático
Elemento Primario de medición de caudal (Placa Orificio de la Tag 002)
Contacto de cierre de un interruptor de posición. Contacto NO de un final de carrera Contacto de apertura de un interruptor de posición. Contacto NC de un final de carrera
Contacto de apertura de un interruptor de posición con maniobra positiva de apertura. Final de carrera de seguridad. Interruptor sensible al contacto con contacto de cierre. Interruptor de proximidad con contacto de cierre. Sensor inductivo de materiales metálicos Interruptor de proximidad de materiales férricos con contacto de apertura. Detector de proximidad de hierro (Fe)
Termopar, representado con los símbolos de polaridad.
Termopar la polaridad se indica con el trazo más grueso en uno de sus terminales (polo negativo)
Interruptor de nivel de un fluido. Interruptor de caudal de un fluido (interruptor de flujo)
Interruptor de caudal de un gas
Interruptor accionado por presión (presostato)
Interruptor accionado por temperatura (termostato) Máquina rotativa. Símbolo general. El asterisco, *, será sustituido por uno de los símbolos literales siguientes: C = Conmutatriz G = Generador GS = Generador síncrono M = Motor MG = Máquina reversible (que puede ser usada como motor y generador) MS = Motor síncrono Motor lineal. Símbolo general.
Motor de corriente continúa.
Motor paso a paso.
Cilindro de simple efecto recorrido de salida Cilindro de simple efecto recorrido de entrada Cilindro de simple efecto recorrido de salida, magnético Cilindro de simple efecto recorrido de entrada, magnético
Cilindro de doble efecto Cilindro de doble efecto, velocidad ajustable Cilindro de doble efecto, doble recorrido, velocidad ajustable Cilindro de doble efecto, velocidad ajustable, magnético
Lección 20.2 – Interpretación de los comandos en texto para las E/S (I/O) en la programación de PLC
Generalmente cada fabricante de PLC tiene su propia versión de software con la que se efectúa la programación de las acciones y controles que tomara el equipo dentro del proceso; sin embargo se deben ajusta a las normativas internacionales que busca mantener por lo menos una estructura estándar en las sintaxis de los comandos aunque se varíen algunas letras, por ejemplo algunos fabricantes para llamar una salida la denominan con la letra “O”, pero en otros fabricantes la salida se denominar a “Q” o también “A”, pero sea cual fuere su denominación deberá
mantener una orden similar al siguiente:
Lección 20.3 – Interpretación de los símbolos para comandos en Ladder para las E/S (I/O) en la programación de PLC
Ahora, como ya sabemos que un PLC fue el reemplazo de los sistemas basados en relés, también son computadoras que solo reconocen códigos de programación, que afortunadamente muchos de ellos poseen software con el cual puede convertir el diagrama escalera a código de máquina. Por lo tanto, lo primero por hacer es crear lo que se conoce como un diagrama escalera (LADDER), a lo cual se deberían convertir todos los ítems de un diagrama de control a símbolos que el PLC entiende. El PLC no entiende terminologías como switch, relés o campanas, más bien él interpreta simbologías de entradas, bobinas de salida, contactos, entre otros. En una lección anterior aprendimos que la batería de entrada ya es reemplazada con un símbolo que es común en todos los diagramas escalera y son llamados barras de potencial. Recordemos que las mismas son simplemente dos líneas verticales, una a cada lada del diagrama. Se puede
pensar que la de la izquierda es el potencial (+), mientras que la de la derecha es el potencial (-). Así el flujo lógico será de izquierda hacia la derecha. Luego se colocarán los símbolos de las entradas y finalmente los símbolos de salida. A continuación se presentan los símbolos mas usados dentro de la programación general de un PLC, pero en lecciones posteriores profundizaremos en otras simbologías para propósitos específicos:
Símbolo
Nombre
Descripción
Contactos normalmente abiertos: como su nombre lo indica los contactos NA (normalmente abiertos) son aquellos contactos que en su estado de reposo no dejan conducir energía eléctrica. Una vez la bobina se energice los contactos se Contacto cierran y dejan pasar energía a otros elementos. NA Se activa cuando hay un uno lógico en el elemento que representa, esto es, una entrada (para captar información del proceso a controlar), una variable interna o un bit de sistema. Contactos normalmante cerrados: como su nombre lo indica, los contactos NC (normalmente cerrados) son aquellos que en su estado de reposo dejan pasar corriente y cuando la bobina que los gobierna está energizada estos contactos Contacto se abren y no dejan pasar energía. NC Su función es similar al contacto NA anterior, pero en este caso se activa cuando hay un cero lógico, cosa que deberá de tenerse muy en cuenta a la hora de su utilización.
Pulsador Pulsadores: son los elementos externos que NA maneja el operario para poder alterar o cambiar el Pulsador estado de cualquier circuito. Básicamente es la interfaz hombre máquina que se trabaja NC actualmente. Un pulsador consta de uno o dos contactos normalmente abiertos o cerrados, Conjunto acoplados por medio de un eje mecánico que sólo cambia de estado mientras un operario mantenga de pulsadores un dedo sobre el dispositivo físico, de resto los contactos quedan en su estado de reposo. Bobinas: como se vio con anterioridad, la bobina, es la variable independiente del
contactor y la variable dependiente son los contactos. Si la bobina se energiza los contactos cambia de estado, si la bobina se desenergiza los contactos vuelven a su estado de reposo. En resumidas cuentas sobre quien se debe hacer el control es sobre la bobina. Bajo la normas alemanas en la figura se ve el símbolo de la bobina y está tiene cerca el elemento a que pertenece, si es contactor la bobina se marcará con un número seguido de la letra M, si se trata de un relé auxiliar se encontrará un numero seguidos de las letras CR, si se trata de un temporizador se notarán con las letras TR.
Se activa cuando la combinación que hay a su entrada (izquierda) da un uno lógico. Su activación equivale a decir que tiene un uno Bobina NA lógico. Suele representar elementos de salida, aunque a veces puede hacer el papel de variable interna. Se activa cuando la combinación que hay a su entrada (izquierda) da un cero lógico. Su Bobina NC activación equivale a decir que tiene un cero lógico. Su comportamiento es complementario al de la bobina NA. Una vez activa (puesta a 1) no se puede desactivar (puesta a 0) si no es por su Bobina correspondiente bobina en RESET. Sirve para SET memorizar bits y usada junto con la bina RESET dan una enorme potencia en la programación. Bobina Permite desactivar una bobina SET previamente activada. SET
Capitulo 5. Manejo de equipos y programación de eventos
Lección 21 – Preliminares de operación y manejo de instrucciones
Como preliminares de operación debemos tener presente como primera medida las consideraciones de seguridad y diferenciar los términos como Puesta en Marcha, Puesta a Punto y en Servicio. Lección 21.1 – Preliminares de operación: Consideraciones de seguridad
La principal aplicación de un PLC casi siempre está relacionada con entornos de trabajo de condiciones críticas; Por ejemplo en la industria petro-química los PLC forman parte de un sistema de automatización donde la seguridad de funcionamiento (Safety Instrumented System) es garantizada bajo supervisión independiente, y por esto en el diseño de la solución adecuada para cada caso, siempre se debe analizarse y así conservar la integridad del diseño. La norma internacional IEC 61508, define los criterios de seguridad para el diseño, construcción y operación de sistemas eléctricos / electrónicos / electrónicos programables. La norma internacional IEC 61511 está basada en la IEC 61508, y define los criterios sobre la aplicación de Sistemas Instrumentados de Seguridad en las industrias de procesos, que se utiliza en industrias petro-químicas y de sustancias químicas peligrosas, entre otras.
La norma internacional IEC 61513 está basada en la IEC 61508, y define los criterios sobre la aplicación de Sistemas Instrumentados de Seguridad en la industria nuclear.
Seguridad = Ausencia de riesgo inaceptable, de daño a las personas, de daños a la propiedad o al medio ambiente. Lección 21.1.1 – Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS)
Un sistema instrumentado de seguridad (Safety Instrumented System) es un sistema que realiza funciones específicas para conseguir mantener el proceso dentro de condiciones seguras. Detectan cuando las condiciones del proceso son inaceptables o peligrosas, y toman automáticamente acciones correctivas. La finalidad de un Sistema de seguridad (Safety Instrumented System), es llevar el proceso hacia una condición segura, cuando su control se sale de los límites de seguridad. Los Sistema de seguridad, están separados y son independientes de los sistemas de control normal, aunque están compuestos por elementos similares, como sensores, procesadores de la lógica, actuadores entre otras. Lección 21.1.2 – Seguridad Funcional (Functional Safety - FS) Estas normas definen una “Función de seguridad” (Functional Safety) como la
detección de una condición potencialmente peligrosa, y la activación de un dispositivo de protección, o mecanismo correctivo para evitar las consecuencias del evento peligroso. Las funciones de seguridad tienen el objetivo de reducir la probabilidad de eventos peligrosos que pueden causar daño. Cada condición potencialmente peligrosa, que tenga el proceso (o la maquina) será una función de seguridad distinta. Aun que varias funciones de seguridad pueden reaccionar activando el mismo dispositivo de protección. La seguridad funcional se refiere a los sistemas activos que identifican una condición y reaccionan, para proteger de las consecuencias de esa condición. Se refiere a los sistemas instrumentados de seguridad; no se refieren a los mecanismos pasivos (por ejemplo una válvula de sobre presión). Lección 21.1.3 – Niveles de seguridad (SIL)
El correcto funcionamiento de un sistema de seguridad, requiere un correcto diseño para proporcionar la integridad y la confiabilidad requerida, por cada caso.
No todas las “funciones de seguridad”, requieren el mismo nivel de seguridad,
porque cada condición potencialmente peligrosa, tiene distintas probabilidades de ocurrencia, y también sus consecuencias tienen distintas magnitudes de daño potencial. El "Nivel de Integración de Seguridad" o SIL (Safety Integrity Level) es el nivel de reducción de riesgo que se requiere para cada "Función de Seguridad". Siendo SIL-1 es el nivel menos seguro, y SIL-4 es el nivel más seguro. Para cada una de las "Función de Seguridad", del proceso o la maquina, debe determinarse el nivel de seguridad (SIL) requerido, analizando la probabilidad de ocurrencia de la condición peligrosa, y la magnitud del daño potencial de sus consecuencias. SIL es entonces el nivel de seguridad requerido para cada determinada "Función de Seguridad". Los requerimientos de seguridad (SIL) deben siempre determinarse a partir de un estudio de los riesgos de operación (HAZOP) del proceso o maquina correspondiente. Usando las técnicas de análisis que se mencionan en las normas IEC 61511 e IEC 61508. Si después del análisis de riesgos de cada caso, se define que una determinada función de seguridad (una protección) debe ser SIL2 (o SIL3, o cualquier otra), todos los elementos involucrados en esa función deben cumplir con el mismo criterio: Los PLC, los sensores, los transmisores, los actuadores, las válvulas, entre otros componentes del sistema, y no solo el PLC. Para lograr esto, muchas veces se debe recurrir a sensores redundantes, o triple redundantes, o actuadores y válvulas redundantes. En el diseño del sistema de seguridad (SIS) debe considerarse el SIL de cada función de seguridad, y un análisis de fallos – efectos, y criticidad, de cada uno de los componentes del sistema. Lección 21.2 – Preliminares de operación: Instalación y conexionado
El organigrama general simplificado que nos orientaría en la secuencia que se debe seguir para la utilización correcta de los PLC estaría representado así:
Lección 21.2.1 – Puesta en Marcha:
Antes de iniciar cualquier acción para la puesta en funcionamiento de los PLC es necesario tener delante el cuadro de características o especificación del mismo, ya que datos como tensión de alimentación al sistema o tensión de red y el margen de variación admisible de la misma nos es necesario. Es conveniente verificar las especificaciones técnicas de cada PLC en particular. Los pasos a seguir son los que seguiremos para no cometer errores en la puesta en funcionamiento inicial del sistema: 1. Conectar la fuente de alimentación. 2. Conectar toma a TIERRA. 3. Verificar tensiones de Entradas y Salidas 4. Ver tensión de la red de Alimentación 5. Si lo anterior es correcto proseguir si no corregir. 6. Conectar fuente a la red 7. Poner a los PLC en funcionamiento 8. Deletear ó borrar la Memoria (solo la primera vez) 9. Cargar el programa 10. Colocar los PLC en modo RUN. Lección 21.2.2 – Reglas básicas para Lenguaje de programación:
Antes de iniciar con los ejercicios prácticos revisaremos algunas normas básicas que debemos tener presentes al momento de presentar nuestro programa, al igual que los diagramas en escalera para montajes electromagnéticos los PLC tienen algunas reglas que deben ser respetadas al momento de programar un montaje, entre tantas están: 1. No se puede conectar una salida directamente a la línea principal, en estos casos se intercala un contacto cerrado de una marca o bit o relé interno cualquiera, en otras palabras una bobina no puede venir conectada directamente de la barra de inicio. En tal caso es necesario interponer un contacto siempre cerrado.
2. Las instrucciones deben ser programadas en el PLC. 3. Los montajes para cualquier automatización son similares
4. No debe haber fusibles de control.
5. Sólo debe aparecer contactos NA o NC de entradas, salidas, temporizadores, contadores o funciones especiales del PLC.
6. Sólo deben aparecer bobinas como elementos accionadores.
7. Todo pulsador, llave selectora, final de carrera o sensor se debe reemplazar por un contacto NA o NC de una entrada donde este se conecte. 8. Se pueden repetir tantos contactos NA o NC como se necesiten en un proceso. 9. No se debe repetir una bobina.
10.
Sólo se deben usar dibujos de forma horizontal.
11.
Toda bobina debe ir siempre al final de un escalón.
12. Toda bobina debe estar controlada por lo menos con un contacto o un elemento.
13. Tratar de que cada escalón sea lo más sencillo posible, para evitar complicaciones en la revisión del programa.
14. Deben leerse las instrucciones del fabricante para conocer las limitaciones de su producto.
15. Algunos fabricantes no usan diagramas en escalera sino el lenguaje booleano.
16. El número de contactos que se pueden colocar en un bloque, desde el comienzo de la línea principal hasta la salida, es ilimitado, pero trate que siempre sea visible todo el bloque al momento de presentarlo a un tercero, puesto que puede comprenderse mal la línea de programa por la ausencia visual de elementos en la estructura.
17. A la derecha de una bobina no es posible programar ningún contacto. 18. El número de contactos posibles en serie o en paralelo es prácticamente ilimitado. 19. Una rama está compuesta de una serie de contactos, conectados en serie o en paralelo que dan origen a una salida que bien puede ser una bobina o una función especial. 20. A una rama de circuito en esquema de contactos le corresponde una secuencia de instrucciones en forma mnemónica. 21.
Con relación a los contactos, tenga presente lo siguiente:
Lección 22 – Operaciones lógicas y bloques de funciones
Para programar un PLC con LADDER, además de estar familiarizado con las reglas de los circuitos de conmutación, es necesario conocer cada uno de los elementos de que consta este lenguaje, y entender su relación con un circuito real. Veamos entonces un ejemplo que podamos comprender:
La mayoría de las veces la corriente que circula por el circuito es demasiado pequeña para activar un dispositivo (bombilla, motor, horno, entre otros similares). Para esto necesitaríamos un relé:
SI (S1= cerrado y S2= cerrado) ENTONCES carga activada El relé permite activar la caga con una corriente más grande
Normalmente, la corriente que circula por un circuito lógico es muy pequeña como para activar la mayoría de los actuadores (Bombillas, motores, sirenas, etc.) Por eso se utilizan relés como elementos de activación. En el diagrama de contactos (escalera) sólo se representa la bobina del relé S1 ó S2 no tienen por qué ser contactos necesariamente, sino cualquier otro elemento: temporizadores, contadores, pulsadores, entre otros que den una señal lógica baja o alta (0 – 1). Ejemplos aplicados se verán más adelante.
Una vez conocidos los elementos que LADDER proporciona para su programación, resulta importante recordar cómo se estructura un programa y cuál es el orden de ejecución. El siguiente esquema representa la estructura general de la distribución de todo programa LADDER, contactos a la izquierda y bobinas y otros elementos a la derecha.
En cuanto a su equivalencia eléctrica, podemos imaginar que las líneas verticales representan las líneas de alimentación de un circuito de control eléctrico. El orden de ejecución es generalmente de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha, primero los contactos y luego las bobinas, de manera que al llegar a éstas ya se conoce el valor de los contactos y se activan si procede. El orden de ejecución puede variar de un controlador a otro, pero siempre se respetará el orden de introducción del programa, de manera que se ejecuta primero lo que primero se introduce.
Circuito de control Electromagnético
Circuito de control para PLC
Lección 22.1 – Operaciones lógicas
El álgebra Booleana permite realizar operaciones básicas con los bits contenidos en los registros del PLC. Las funciones básicas incluyen las operaciones lógicas más comunes como: AND, OR, NOT y XOR. En el cuadro que se muestra a continuación, se puede observar la representación para cada operación en los diferentes sistemas, y se explicara como funcionaria en un circuito de control dentro de un PLC:
Lección 22.1.1 – Operaciones lógicas: AND - Conjunción
La operación lógica AND -conjunción- entrega como resultado V (1) si todas las entradas son V (1). Esta se aplica en situaciones en las que se requiere realizar una acción si y sólo sí se cumplen un determinado número de condiciones. En lenguaje de contactos se realiza disponiendo los contactos en serie.
AND ENTRADAS A - B SALIDA A (AND) B = Y A B Y F F F F V F V F F V V V
AND ENTRADAS A - B SALIDA A (AND) B = Y A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
La lámpara se enciende si A Y B están cerrados
Aquí se puede observar que la operación AND está relacionada con la multiplicación ya que la única vez que el resultado es cierto es cuando los dos operándoos son ciertos al mismo tiempo. La función AND es útil sobre todo cuando el PLC no cuenta con funciones de enmascaramientos de registros. Cuando se trabaja a nivel de bits, la función de enmascaramiento permite dejar en un registro dado un único bit. Esto se debe a que cualquier bit que sea operado a través de una AND con sigo mismo permanecerá en el valor cierto o falso que ostente en ese momento. Por ejemplo si se desea hacer cero solamente 12 de los 16 bits de un cierto registro, se puede realizar una AND con un registro de 0‟s en todas las posiciones excepto en los
cuatro bits donde se desea mantener el estado que poseen.
Ejemplo: En el circuito se activa Q1.2 cuando I1.0, I1.1 e I1.2 son verdaderas. De hecho, el PLC evalúa la rama ejecutando la operación lógica Q1.2 = I1.0 AND I1.1 AND I1.2.
Lección 22.1.2 – Operaciones lógicas: OR - Disyunción
La operación lógica OR -disyunción - entrega como resultado V (1) siempre que alguna de las entradas sea V (1), lo que se logra poniendo los contactos en paralelo.
ENTRADAS A - B A B F F F V V F V V
OR SALIDA A (OR) B = O O F V V V
ENTRADAS A - B A B 0 0 0 1 1 0 1 1
OR SALIDA A (OR) B = O O 0 1 1 1
La lámpara se enciende si A ó B están cerrados
Aquí se puede ver que la función OR está relacionada con la adición ya que mientras A o B sean ciertos, el resultado será cierto.
Ejemplo: En el circuito se activa Q1.3 si alguna de las entradas I1.0 o I1.1 se activa. La operación lógica es Q1.3 = I1.0 OR I1.1.
Lección 22.1.3 – Operaciones lógicas: NOT - Inversión
La operación lógica NOT – inversión- entrega como resultado el estado contrario al presente en la entrada, esto se logra con el uso de Contactos Normal Cerrado.
NOT ENTRADA A SALIDA (NOT A) F V V F
NOT ENTRADA A SALIDA (NOT A) 0 1 1 0
Ejemplo: Función y operación realizada es Q1.0 = NOT I1.0.
Lección 22.1.4 – Operaciones lógicas: XOR (OR – Exclusiva)
La XOR también conocida como OR – Exclusiva - es V (1) si alguna de las entradas, pero nunca ambas, es V (1) también; se puede decir que es V (1) si y sólo si las entradas son distintas. Analicemos detenidamente el circuito que la realiza.
ENTRADAS A - B A B F F F V V F V V
OR SALIDA A (XOR) B = X X F V V F
ENTRADAS A - B A B 0 0 0 1 1 0 1 1
OR SALIDA A (XOR) B = X X 0 1 1 0
Aquí se puede ver que la función no está relacionada a nada. Una nemotécnica para recordar sus resultados es pensar que los operándoos deben ser opuestos para que el resultado sea cierto. Si por el contrario los operando son iguales el resultado será falso. Esta operación es algunas veces útil cuando se desea comparar dos bits en dos registros y resaltar cuales son diferentes. Esta operación es igualmente necesaria para chequear los errores en las comunicaciones o en sus protocolos.
Ejemplo: Para realizar la operación Q1.0 = I1.0 EXOR I1.1, se debe efectuar una combinación de operaciones AND y OR: Q1.0 = ((I1.0 AND (NOT I1.1)) OR ((NOT I1.0) AND I1.1)).En el lenguaje de contactos es frecuente aquel caso en el cual las
operaciones lógicas deben resolverse a partir de contactos normal abierto y normal cerrado.
Lección 22.2 – Variables internas y bits de sistema
Las variables internas son bits auxiliares que pueden ser usados según convenga, sin necesidad de que representen ningún elemento del autómata. Se suele indicar mediante los caracteres B ó M y tienen tanto bobinas como contactos asociados a las mismas. Su número de identificación suele oscilar, en general, entre 0 y 255. Su utilidad fundamental es la de almacenar información intermedia para simplificar esquemas y programación. Los bits de sistema son contactos que el propio autómata activa cuando conviene o cuando se dan unas circunstancias determinadas. Existe una gran variedad, siendo los más importantes los de arranque y los de reloj, que permiten que empiece la ejecución desde un sitio en concreto y formar una base de tiempos respectivamente. Su nomenclatura es muy diversa, dependiendo siempre del tipo de autómata y fabricante Lección 22.3 – Instrucciones memorizadas – SET / RESET
A los elementos de salida, al igual que para los de entrada, se les escribe encima la variable a la cual están referidos. El valor lógico del elemento de salida es determinado por el PLC a partir de los elementos de entrada. El elemento de salida principal se denomina Asignación o Bobina. Las bobinas de salida son parte esencial de los programas en los PLCs, pero hay que tomar en cuenta que ellas se activan mientras que todas las instrucciones que la preceden en el peldaño están también activas. En los PLC, la instrucción de retención permite que se usen switch de acción momentánea para mantener una bobina activa indefinidamente hasta tanto se le aplique la instrucción de liberación. Las bobinas pueden funcionar bajo instrucciones de tres (3) tipos: Una instrucción de asignación simple, la instrucción de retención comúnmente se llama SET (puesta a uno) y la instrucción de liberación se llama RESET (puesta a cero). Bobina de Asignación Simple: Su valor lógico es igual al resultado de la combinación de los contactos en la rama. Si el resultado de la evaluación de los
contactos es V entonces la bobina será V; si el resultado es F, la bobina toma el valor F. Bobina de retención o Puesta a Uno (SET): Cuando llega el valor V a esta bobina, su variable asociada se pone y mantiene indefinidamente en estado V sin importar que a la bobina llegue posteriormente un valor F. Una vez retenida la variable en el valor V, para pasarla a F será necesario el uso de una bobina de puesta a 0 (cero). Bobina de liberación o Puesta a Cero (RESET): Cuando llega un valor V a esta bobina, su variable asociada se pone y mantiene indefinidamente en estado F sin importar que a la bobina llegue posteriormente un valor F. La única manera de cambiar el estado de la variable es usando una Bobina de Puesta a Uno.
Un ejemplo básico de un diagrama set/reset podría ser como el que se observa en la siguiente grafica:
Mediante la combinación de contactos en serie (AND) ó paralelo (OR) se puede empezar a realizar circuitos simples para manejar cargas ó motores en la industria. Por ejemplo supongamos que deseamos manejar un motor de CA trifásico, con un pulsador de marcha colocado en la entrada uno (1) y otro pulsador de parada en la entrada dos (2) y actuaremos sobre la salida Out 1. El circuito de comando realizado de forma eléctrica, propuesto es el siguiente: Cuando pulsamos la entrada IN1, el relé K1, acciona y el contacto que está en paralelo con la IN1 también cierra, con esto se logra una autorretención de K1, es decir que si soltamos el pulsador que está conectado en la entrada IN1, el relé K1 ó bien si correspondemos a K1 con Out1, esta permanece accionado. La única manera de dejar de accionar a la salida Out1 es accionando la entrada IN2, que al ser accionada deja de circular corriente hacia Out1 y este se desconecta. Si pulsamos ambos pulsadores a la vez veremos que la carga ó la
salida Out1 no es accionada, porque tiene preponderancia IN2 sobre IN1, es decir al pulsar IN2 la carga no accionara, a este circuito se la denomina circuito de comando del tipo RESET DOMINANTE. En el caso que se desee que, al pulsar los dos pulsadores a la vez la carga accione se deberá realizar el siguiente circuito de comando
Como podemos ver en la figura al pulsar IN1 la salida Out1 se activara, y el contacto de K1 también en este circuito hará la función de autorretención, para que al soltar IN1 esta siga accionada la salida Out1, al pulsar IN2, la carga deja de estar accionada, ahora al pulsar IN1 y IN2 en forma conjunta, la salida Out1 seguirá accionada. A este circuito se la denomina circuito de comando del tipo SET DOMINANTE. Lección 23 – Ejemplos prácticos de manejo operativo para entradas y salidas discretas
Lección 23 – Ejemplos prácticos de manejo operativo para entradas y salidas discretas Ejemplo 1
Ejemplo 1: Diseñar un circuito que abra o cierre un contactor mientras un operario lo desee:
Este tipo de circuito nos indica que necesitamos una bobina, para hacer el mando de los circuitos de potencia y un pulsador, para tener interfaz entre el operario y la máquina:
La solución grafica que resuelve el problema que plantea el enunciado podría ser:
La explicación para este enunciado es muy sencilla: el pulsador 1PB está normalmente abierto, lo que implica que la bobina de 1M no tiene corriente y por esto el contactor no está activado. Cuando el operario accione el pulsador, este deja pasar corriente y la bobina de 1M cambia de estado sus contactos, lo que implica que el elemento que está conectado al circuito de potencia está activado o funcionando.
Lección 23 – Ejemplos prácticos de manejo operativo para entradas y salidas discretas Ejemplo 2
Ejemplo 2: Diseñar un circuito que con un pulsador energice un motor, lo mantenga activado hasta que se quiera y se detenga con otro pulsador:
El planteamiento anterior indica que se debe tener un pulsador para energizar el circuito, éste normalmente se llama pulsador de arranque, y su función es dejarle pasar corriente a la bobina. Un elemento que memorice y mantenga este estado, generalmente es un contacto normalmente abierto del elemento que se va a controlar; como el circuito se mantiene energizado por mucho tiempo es necesario introducir un segundo pulsador para quitar la energía a la bobina, un pulsador NC que generalmente se llama de parada.
Circuito De Control Con Memorización Del Estado.
En su estado de reposo el circuito de la figura no deja pasar corriente a la bobina, ya que el pulsador 1PB y el contacto de 1M se encuentran abiertos. Una vez el operario necesite energizar la máquina pulsa 1PB, éste deja pasar corriente y energiza 1M. Cuando el contactor cambia de estado sus contactos hace que el contacto que está en paralelo con 1PB se cierre y pueda fluir corriente por ahí permitiendo que el operario deje de accionar el pulsador. Cuando se necesite desenergizar el circuito se debe interrumpir la corriente por medio de 2PB y el circuito vuelve a su estado inicial. Lección 23 – Ejemplos prácticos de manejo operativo para entradas y salidas discretas Ejemplo 3
Ejemplo 3: Diseñar un circuito que se pueda arrancar desde diferentes estaciones y mantener su estado hasta que cualquier operario lo desee, la desenergización se puede realizar desde cualquier estación:
Se puede tomar como base el circuito de la figura anterior y hacerle unas pequeñas modificaciones. Si se desea arrancar desde diferentes estaciones debemos proveer diferentes caminos para que la corriente fluya hasta la bobina y se logra colocando pulsadores en paralelo con 1PB y colocarlos en las diferentes estaciones.
Para apagarla se necesita interrumpir la corriente desde cualquier punto, esto se logra conectando pulsadores NC en serie con el pulsador 2PB como se muestra a continuación.
Mando de un contactor desde diferentes estaciones de mando.
En su estado de reposo el circuito de la figura no deja pasar corriente a la bobina, ya que el pulsador 1PB y el contacto de 1M se encuentran abiertos. Una vez el operario necesite energizar la máquina pulsa 1PB, éste deja pasar corriente y energiza 1M. Cuando el contactor cambia de estado sus contactos hace que el contacto que está en paralelo con 1PB se cierre y pueda fluir corriente por ahí permitiendo que el operario deje de accionar el pulsador. Cuando se necesite desenergizar el circuito se debe interrumpir la corriente por medio de 2PB y el circuito vuelve a su estado inicial. Lección 23 – Ejemplos prácticos de manejo operativo para entradas y salidas discretas Ejemplo 4
Ejemplo 4: Diseñar un circuito cableado que simbolice un latch tipo RS:
La solución grafica seria una especie de Flip-flop tipo RS pero con lógica cableada. Este tal vez es el flip-flop más útil cuando se trata de control, ya que los otros flip-flops son derivaciones de éste y sólo se utilizan en electrónica digital. Es importante recordar la tabla de verdad de éste con un diagrama de bandas como se muestra a continuación:
Como se ve en la figura, al iniciar el funcionamiento del Flip-Flop las dos salidas se encuentran desactivadas, al iniciarse una acción SET la salida Q se activa, y se mantiene en este estado hasta que haya una acción RESET, al accionarse el reset sólo cambia el estado de las salidas si la entrada SET está desactivada, de lo contrario, se mantendrá accionada Q negada. Cuando no haya ninguna entrada activa las bobinas se mantienen en su estado anterior.
Lección 23.1 – Ejemplos aplicados a procesos reales
Hasta el momento hemos expuesto ejemplos con configuraciones prácticas que son utilizadas desde el PLC para acciones básicas de control de entradas y salidas. Vamos a revisar ahora ejemplos aplicados a procesos reales que se pueden encontrar en la industria. Lección 23.1.1 – Ejemplo aplicado 1 - Parte I
En la siguiente figura se ha dibujado un circuito de potencia y control en los dos sistemas más importantes en la automatización de procesos industriales, como lo es el conexionado de los motores eléctricos, en su norma americana y la norma europea.
Como se puede observar, el esquema hace las misma función en los dos dibujos solo que se ha cambiado los símbolos. Además puede identificar que la norma americana, es más fácil de dibujar pero en el momento de entender el funcionamiento el operario se puede perder. Mientras en la norma europea el dibujo es un poco más difícil de realizar pero el funcionamiento puede llegar a ser más entendible. Cabe recordar que en este curso hacemos referencias siempre basados en la norma americana, ya que estos símbolos se pueden dibujar fácilmente en una pantalla de computador o en un programador manual de un PLC y no hay necesidad de cambiar de simbología. Revisemos entonces los primeros gráficos:
Partiendo de las definiciones anteriores ya se está en capacidad de empezar a diseñar circuitos de mando útiles en aplicaciones sencillas como arranque de motores, llenado de tanques, encendido de luces, entre otros. No se debe olvidar que todo circuito de control maneja un elemento de potencia y esta a su vez maneja una parte de una máquina, el análisis completo del funcionamiento no debe dejar de lado ninguno de estas partes. Lección 23.1.1 – Ejemplo aplicado 1 - Parte II
Revisemos gráficamente como se conectaría un motor a un PLC, teniendo presente las recomendaciones expresadas en lecciones anteriores:
Observemos que con el interruptor S0 se pone en marcha el motor de la que se presenta en una “maqueta”, pero podría simular un motor que se encue ntre en una plata de proceso industrial. El interruptor S1 permite cambiar el sentido de giro del motor; Además S0 y S1 son interruptores conectados a 24VDC en las entradas E0.0 y E0.1. Por otra parte se identifica que las salidas A0.0 (Marcha/Paro motor) y A0.1 (Cambio de sentido) son las únicas que están conectadas en el PLC. El estado de señal de la entrada E0.0 es asignada a la salida A0.0 por medio del programa. El estado de señal de la entrada E0.1 se asigna a la salida A0.1. De acuerdo a lo anterior, emergería una duda: ¿Cómo se pasa de un esquema eléctrico a un programa para PLC? En primer lugar, una sugerencia sencilla y fácil de asimilar, es que gire el esquema 90° hacia la izquierda. De esta manera, la barra de fase queda normalmente a la izquierda y la barra de masa a la derecha. En el medio se encuentran los contactos de su circuito.
La parte del circuito que representa la lógica de maniobra de la máquina es sustituida por el PLC (relé de tiempo, contactores de mando, entre otros. así como su cableado). Un PLC no puede sustituir a los sensores (por ejemplo los interruptores, selectores) por el lado de entrada ni a los actuadores (por ejemplo los contactores de motor, contactores-inversores, válvulas) por el lado de salida. Preste atención a la estructura del programa de ejercicio 1 que se presenta visualizado en Esquema de contactos (KOP). Este modo de visualización es lo más parecido a un esquema eléctrico.
Los segmentos sirven para estructurar un programa. Cada circuito se inserta en un segmento. El código de programación se asemejaría a:
Lección 23.1.1 – Ejemplo aplicado 1 - Parte III
Vamos a revisar ahora un nuevo esquemático con algunas modificaciones para un circuito que también pueda invertir el sentido de giro de un motor, pero donde podamos identificar algunas diferencias significativas con respecto al anterior grafico:
Para poder realizar este circuito se deben utilizar dos circuitos, uno para el sentido derecho y otro para el sentido izquierdo. Adicionalmente se necesitarían cuatro pulsadores, uno para arrancar cada sentido y otros dos para pararlos, pero afortunadamente existen los pulsadores con más de un contacto que se encuentran enclavados mecánicamente, es decir, se mueven a la vez. Este circuito presenta el problema que si el motor está girando hacia la derecha y un operario necesita cambiarle el sentido de giro y acciona 3PB habrá un corto en las fases que alimentan el motor y las instalaciones que alimentan el motor quedarán fuera de servicio
Inversor de giro para un motor
Ahora
bien, si lo que se desea es diseñar un circuito de control que pueda invertir el sentido de giro de un motor pero que no tenga posibilidades de cortocircuito en el circuito de potencia, debemos revisar la siguiente figura:
Circuito de inversión de giro con paro previo
En el circuito de control de la figura anterior, que de por sí, es similar a la que la antecede, con la diferencia sólo de que en este caso se le adicionan unos contactos normalmente cerrados a cada línea de control, de tal forma que si se encuentra accionado 1M el contacto NC de 1M en la línea 2 se encuentra abierto y no deja energizar 2M, lo mismo se hace en la línea 1, allí se introduce
un contacto NC de 2M. A este tipo de inversión de giro se llama con paro previo, puesto, que para cambiar de sentido de giro se necesita desenergizar los contactores por medio de 2PB.
Otro diseño de control con PLC aplicado a motores que también es muy utilizado en la industria, es el circuito que pueda invertir el sentido de giro de un motor sin necesidad de hacer paro previo. El cual se ilustrara mediante la siguiente figura:
Inversión de giro sin paro previo
Si lo comparamos con la figura anterior donde se presentaba un circuito con enclavamiento por medio de pulsadores, para este caso, si oprimimos 1PB se abrirá el contacto sobre la línea 2 que desenergiza primero a 2M y luego se cerrará el contacto sobre la línea 1 que energizará a 1M, lo que permite desenergizar primero un sentido de giro y luego energizar el otro sentido de giro; lo mismo sucede al oprimir 3PB. Para parar definitivamente el motor se necesita oprimir 2PB que le quita energía a las bobinas de 1M y 2M para llevar el circuito a su estado inicial. Lección 23.1.1 – Ejemplo aplicado 1 - Parte IV
Como ocurren estas maniobras aplicadas a motores en un S7-200: Si bien las aplicaciones mostradas previamente, explican el funcionamiento básico de un PLC, podemos encontrar aplicaciones un poco más complejas, como son las aplicaciones para el control de arranque y parada de los motores de corriente alterna. Antes de examinar las aplicaciones del PLC, primero repasemos como seria el conexionado. El diagrama siguiente muestra cómo se debe ubicar los pulsadores normalmente abiertos y los pulsadores normalmente cerrados, y su forma de conectarlos al control de corriente trifásica del motor. En este ejemplo, la bobina de motor de arranque (M) está conectado en serie con un contacto normalmente abierto, que inicia el proceso, y otro normalmente cerrada que efectúa la acción de
parada momentánea; el relé normalmente cerrado efectúa la carga (OL) sobre los contactos.
Cuando presionamos el pulsador Start, se completa el camino para que el flujo de corriente pase y energize el arranque del motor (M). Esto cierra el contacto asociado (Ma) (contacto auxiliar situado en el motor de arranque). Cuando el botón de inicio es liberado, la corriente sigue fluyendo a través del botón de parada y el contacto Ma, y la bobina M permanece energizado. El motor funcionará hasta que el botón de parada normalmente cerrado es presionado, a menos que el relé de sobrecarga (OL) tenga los contactos abiertos. Cuando se pulsa STOP, el flujo de corriente se interrumpe y contactos Ma se abren, causando que se detenga el motor. Revisemos en los siguientes gráficos el paso a paso de lo que se ha venido explicando en los ejemplos:
Condiciones iniciales del sistema
Condiciones del sistema cuando se oprime START El botón de arranque normalmente abierto está conectada a la primera entrada (E0.0), un pulsador de parada de normalmente cerrada se conecta a la segunda entrada (E0.1), y normalmente cerrados los contactos de relé de sobrecarga (parte del motor arrancador) están conectados a la tercera entrada (E0.2). Estas entradas se utilizan para controlar los contactos normalmente abiertos en una línea de la lógica de escalera programados en el PLC. En las condiciones iniciales del sistema, I0.1 tiene un bit de estado uno (1) lógico, porque está relacionado con el botón de parada que es un contacto normalmente cerrado (NC). De igual forma la I0.2 tiene un bit de estado uno (1) lógico, porque el contacto del relé de carga (OL) es normalmente cerrado (NC). Lo contrario ocurre con la I0.0 que tendría un bit de estado cero (0) lógico, debido a que el botón de arranque que tiene relación con un contacto normalmente abierto aun no sido presionado. El contacto normalmente abierto salida (Q0.0) también está programado en el segmento como contacto de cierre. Con esta red simple, cuando se active la bobina (Q0.0) en la salida se podrá encender el motor.
Cuando el botón START se presiona, la CPU recibe un uno (1) lógico a partir de la entrada E0.0. Esto hace que el contacto I0.0 se cierre. Las tres entradas es ahora uno (1) lógico. La CPU envía un uno (1) lógico a la salida (Q0.0). El arrancador del motor es energizado y se pone en marcha el motor.
El sistema mantiene el estado en alto hasta nueva orden – memoria de estado El bit de estado de la salida Q0.0 se mantendrá por ahora en uno (1) lógico. Por lo tanto el contacto normalmente abierto (Q0.0) se cierra también y es lo que mantendrá la salida Q0.0 activada aunque el botón de arranque se suelta. A esto nos referíamos en una lección anterior cuando se mencionaba la memoria de estado en el sistema. Cuando el botón STOP se oprime, la entrada I0.1 se apaga, el contacto I0.1 se abre, por lo cual la salida de la bobina Q0.0 se desactiva y el motor se desenergiza lo que causa su posterior detención.
El sistema se detiene cuando se oprime STOP por que abre el contacto I0.1 Este ejemplo se podría complementar con la instalación de lucen indicadoras de tipo piloto, que nos informen el estado del motor, o las acciones que están sucediendo en el sistema. A continuación se presentan las imágenes que ilustran esta situación para que sean analizadas con detenimiento por usted:
Condiciones iniciales del sistema con indicador de estado (Luz tipo piloto)
Cuando se oprime START cambia el estado y se enciende el otro indicador (Luz tipo piloto) Se podría incluso ir incorporando al sistema otro tipo de dispositivos tales como finales de carrera o algún tipo de switche que activa o desactiva una acción especifica:
Condiciones iniciales del sistema adicionando un final de carrera normalmente abierto que me detecta el acceso por una puerta
No es necesario que el botón de START se oprima para que se genere una acción al interior del sistema, se pueden programar diversas acciones con diversos dispositivos incorporados. Lección 23.1.2 – Más ejemplos aplicados a maniobras de control sobre motores eléctricos Parte I
En las siguientes figuras vamos a visualizar otras maniobras y esquemas de programación en Ladder que son utilizados dentro de la industrial para controlar motores electricos:
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer el Frenado regenerativo del motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Los frenos regenerativos se basan en el principio de que un motor eléctrico puede ser utilizado como generador. El motor eléctrico de tracción es reconectado como generador durante el frenado y las terminales de alimentación se convierten en suministradoras de energía la cual se conduce hacia una carga eléctrica, es esta carga, la que provee el efecto de frenado. El freno regenerativo es un tipo de freno dinámico. Otro tipo de freno dinámico es el freno reostático, mediante el cual la energía eléctrica generada en la frenada es disipada en forma de calor.
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer el Frenado a contracorriente del motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Este método consiste en reconectar el motor a la red en sentido inverso después de haberlo aislado y mientras sigue girando. Es un método de frenado muy eficaz, pero debe detenerse con antelación suficiente para evitar que el motor comience a girar en sentido contrario. Se utilizan varios dispositivos automáticos para controlar la parada en el momento en que la velocidad se aproxima a cero: etectores de parada de fricción. etectores de parada centrífugos.
ispositivos cronométricos.
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer la Inversión de giro sin paro previo del motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Son muchas las ocasiones en las que en un proceso se necesitan motores que puedan girar en ambos sentidos. La inversión de giro se utiliza con frecuencia para mover grúas, montacargas, ascensores, entre otros. Cuando los motores utilizados no son de gran potencia no se necesita realizar el arranque con medios especiales, por lo que este puede hacerse de forma directa. Para invertir el sentido de giro de un motor asíncrono, basta con permutar dos fases de la alimentación del motor. El rotor es arrastrado en sentido de giro
contrario al que giraba antes de la permuta de fases. La inversión se realiza con dos pulsadores de marcha de doble cámara y la parada con un solo pulsador de paro. Cuando es accionado alguno de los pulsadores de marcha, el motor gira en un sentido. Si estando en esta situación se acciona el otro pulsador, el motor cambiará su sentido de giro bruscamente. Lo mismo ocurrirá si se acciona de nuevo el primer pulsador. La parada total de la maquina se efectúa accionando en pulsador de parada.
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer la Inversión de giro con paro previo del motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
La inversión se realiza con dos pulsadores de marcha de doble cámara y la parada con un solo pulsador de paro. Cuando es accionado alguno de los pulsadores de marcha, el motor gira en un sentido. Si estando en esta situación se acciona el otro pulsador, el motor cambiará su sentido de giro bruscamente. La
parada total de la maquina se efectúa bien por control de recorrido mediante finales de carrera. ó accionando el pulsador de parada. Lección 23.1.2 – Más ejemplos aplicados a maniobras de control sobre motores eléctricos Parte II
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer el Arranque con resistencias en serie con el motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer el Arranque con transformador y frenado con C.C. para el motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer el Arranque con devanados parciales e inversión de giro para el motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer el Arranque Y-delta con frenado a contracorriente para el motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer el Control de velocidad por cambio de número de polos para el motor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Hacer la conexión al PLC, conectar entradas, salidas y diseñar el circuito de control para hacer el Control de velocidad por cambio en la resistencia del rotor que aparece en el circuito de potencia en la figura:
Lección 23.1.2 – Más ejemplos aplicados a maniobras de control sobre motores eléctricos Parte III
Teniendo en cuenta ahora si como debería efectuarse idealmente la conexión de un motor eléctrico sencillo, vamos a armar un programa en escalera el cual me encienda un motor eléctrico a través de un contacto y que éste se apague cuando presionemos otro contacto. Revisemos el siguiente diagrama:
Como se observa el contacto I0.0 e I0.2 son elementos de entrada y la bobina M0.0 es una bobina interna del PLC. La salida en este caso un motor eléctrico se representa con la bobina Q0.0; Por lo tanto: cuando usted presione el elemento I0.0 este hará que se active la bobina M0.0 y a causa de ello provocara que el contacto auxiliar M0.0 se cierre y así se encienda el motor eléctrico.
El contacto auxiliar M0.0 sirve como una retroalimentación al circuito. Esto se hace por que por lo común los contactos de entrada son de pulso y este se encuentra
en uno cuando lo tengamos presionado y al soltarlo cae a cero. Por lo tanto para evitar eso se retroalimenta el contacto. El motor se detendrá únicamente cuando se presione el contacto I0.2 ya que este cortara la retroalimentación que existe en el circuito. Revisemos ahora como se generaría el código del programa para el PLC, donde dicho programa deberá contener protecciones para proteger al motor, esto es, que se detenga automáticamente cuando haya una sobrecarga (recuerde que una sobrecarga en el motor significa un aumento en la corriente de consumo) y además que se detenga cuando exista alta temperatura en el motor. A continuación procederemos a redactar el código del programa, que como bien se ha expresado a lo largo del curso, se va a enfocar hacia el “STEP 7” para los
PLC de SIEMENS, pero sin embargo puede ser de su selección previa los simuladores que se ofrecen gratis por internet, con los cuales podrá verificar que su código este correcto y no presente errores al momento de compilar. (Revisar las OVA‟s del curso).
Su funcionamiento se ejecuta de la siguiente forma: Entradas: Debe haber un botón de paro y uno de arranque. (Pulsadores) Un sensor para el límite derecho (Pulsador) Un sensor para el límite izquierdo (Interruptor) Salidas: Una que active un motor hacia la derecha. Una que active un motor hacia la izquierda. Especificaciones: Para darle una aplicación especifica a este ejemplo, imaginemos entonces un motor acoplado a los limpia vidrios (parabrisas) de un vehículo, en el cual se encenderá por medio de la acción requerida por el conductor (botón de arranque), iniciara con un giro especifico el motor hasta una posición especifica y sensada su posición angular máxima procederá a invertir su giro para devolverse, y así sucesivamente hasta que el mismo conductor detenga el procedimiento por considerar que ya no es necesario. Del enunciado anterior podríamos tener alguna información a manera de bosquejo que nos permita empezar a concebir un algoritmo para resolver el problema: Para que el sistema sea activado, debemos pensar en una posición inicial para el motor del limpiador, en este caso vamos a suponer que inicie colocado en la parte izquierda por lo tanto el sensor que detecte la posición izquierda debe de estar cerrado, de lo contrario el sistema no debe de activarse si este no cumple esta condición inicial. En cuanto el sistema sea activado, el motor que esta acoplado a los limpiadores debe de moverse de derecha a izquierda, por ello los sensores de ambos lados se van a abrir y a cerrar según la ubicación de estos.
Para que el sistema sea apagado el motor de los limpiadores deberá retornar a la posición inicial, por lo tanto deberá estar en el sensor izquierdo, de lo contrario no se debe de apagar hasta que esta condición se cumpla (se debe cumplir todo el ciclo).
Se te hace similar el ejemplo, pues esa es la idea, que se pueda relacionar con una actividad de la vida cotidiana que se haya percibido para que su análisis no sea tan complejo en estos primero pasos de la programación de las acciones discretas de un PLC. Revisemos pues como quedaría el código de programa: Programa en Lista de Instrucciones (AWL):
Programa
en Esquema de contactos (KOP):
Aunque este es solo un ejemplo muy sencillo, puede que tenga mucha utilidad para aplicarlo a otro fin. Lección 23.1.3 – CONTROL DE ELECTROVALVULAS DE UN DEPÓSITO CONTENEDOR DE LIQUIDO - Parte I
En la figura que se muestra a continuación, se trata de ilustrar un automatismo combinacional formado por un depósito de líquido con cuatro electroválvulas de entrada y cuatro electroválvulas de salida. Las electroválvulas de entrada se denominan a, b, c, d y las de salida A, B, C, D. Cada una se abre con un nivel lógico alto que vamos a representar con un „1‟ y se cierran con un nivel lógico bajo que representaremos con un „0‟.
El caudal aportado por cada electroválvula de entrada es 5, 15, 25 y 30 litros por segundo respectivamente. El caudal evacuado por las electroválvulas de salida son 5, 10, 20 y 40 litros por segundo respectivamente. El control que se desea realizar sobre las electroválvulas de salida es tal que el caudal de entrada tiene que ser igual al evacuado por las salidas. Para ello tendrá en cuenta el estado de las electroválvulas de entrada y actuara sobre las de salida igualando ambos caudales. Como única condición se dice que en ningún momento hay más de dos electroválvulas de entrada abiertas al mismo tiempo.
Teniendo en cuenta esta última condición está claro que ciertas combinaciones de entrada no se van a dar nunca, lo que vamos a aprovechar para simplificar más las funciones resultantes: según nos convenga cogeremos estas salidas como nivel alto o nivel bajo.
Analizando la información aportada por el enunciado del problema, en primer lugar debemos clasificar que datos tenemos en la bandeja de señales de entrada y que deseamos a la salida; después debemos crear las combinaciones que posiblemente surjan si sumamos entradas en pares (máximo el resultado de dos electroválvulas abiertas) y vamos alojando estos resultados en una tabla, similar a la que se muestra a continuación. En esta tenemos dos columnas con las entradas y las salidas y sus respectivos valores de caudal según el problema; el arreglo de las primeras filas estará dado por los mismos valores de las entradas (no importa el orden en el que se coloquen) y por la activación de cada electroválvula de forma individual; después de la línea roja encontramos las posibles combinaciones que obtendríamos si sumamos por parejas cada entrada (recuerden que el enunciado dice que máximo se podrá tener dos electroválvulas abiertas al tiempo); finalmente no debemos olvidar incluir un valor inicial o que también se debe tener presente que es el valor cero (0), es decir, considerar un estado donde todo está apagado y que se mantiene dentro de las características deseadas por el sistema, que si no hay caudal a la entrada (cero = 0) el mismo valor a la salida (caudal = 0). La relación de fila y columna de salida estará representada por los unos (1) en los valores tanto de entrada como de salida cuya suma me represente el valor que estoy ingresando al sistema, es decir, si sumo la entrada de 25 lt/s y la de 30 lt/s esto nos daría en total 55 lt/s, lo que en la salida me activaría las válvulas de 40 lt/s + 10 lt/s + 5 lt/s = 55 lt/s para que se me cumpla la condición de igualdad en los caudales (recordemos que para las electroválvulas de salida no hay restricciones en cuanto a cantidad de electroválvulas encendidas). Todos estos valores en la tabla quedarían representados por el (1) que me denota que esa electroválvula estaría encendida para que se cumpla la condición. Pero mejor revisemos la tabla y trate usted de llenarla también, para que pueda comprender lo anteriormente expuesto:
Lección 23.1.3 – CONTROL DE ELECTROVALVULAS DE UN DEPÓSITO CONTENEDOR DE LIQUIDO - Parte II
Teniendo la tabla definida, debemos ahora hacer la representación individual en los mapas de Karnaugh (recordemos las técnicas de operaciones en sistemas digitales vistas en otros niveles de su carrera) para hallar las resultantes simplificadas para cada electroválvula. Para esto relacionamos las entradas a, b, c y d, de la siguiente forma:
Para la electroválvula A: La manera correcta de completar la tabla para los mapas de mapas de Karnaugh, es tener encuenta la tabla anterior y completar de acuerdo al valor de A, por ejemplo, si: a= 0, b=0, c=0, d=0 el valor de A en la salida = 0 (última fila) a= 0, b=1, c=0, d=0 el valor de A en la salida = 1 (tercera fila, caudal 15 lt/s) a= 1, b=1, c=1, d=0 esta configuración no aparece en la tabla, por lo cual asumimos que de cierta forma no nos importa, por lo cual podemos dejar el espacio en blanco, o poner una X, o poner un guion (-), que nos indique que nos es indiferente que pasa con esos valores, en algunos casos para nuestra conveniencia podemos asumirlo como si fuera un uno (1), lo nos facilitaría dar solución los mapas.
La tabla para los mapas quedaría de la siguiente forma: Recordemos que los mapas de Karnaugh se resuelven mediante la agrupación de unos (1) máximos posibles, y que el cero (0) representa la negación de la letra y el uno (1) la deja igual. Cada resultado por grupos se suma y finalmente mediante la aplicación de propiedades operativas de la adición y la multiplicación en sistemas digitales, reducimos la expresión así como se muestra a continuación. Para este cuadro encontramos 6 expresiones concentradas en 3 grupos:
Este mismo proceso se efectúa para las demás electroválvulas, y se recomienda que intente usted hacer el ejercicio y luego compare las repuestas obtenidas, para que vaya tomando la habilidad operativa que será muy importante para resolver ejercicios más complejos. Miremos como quedarían las expresiones para las demás electroválvulas de salida en relación a las entradas:
Para la electroválvula B: Recordemos que los mapas de Karnaugh se resuelven mediante la agrupación de unos (1) máximos posibles, y que el cero (0) representa la negación de la letra y el uno (1) la deja igual. Cada resultado por grupos se suma y finalmente mediante la aplicación de propiedades operativas de la adición y la multiplicación en sistemas digitales, reducimos la expresión así como se muestra a continuación. Para este cuadro encontramos 9 expresiones concentradas en 4 grupos:
Para la electroválvula C:
Recordemos que los mapas de Karnaugh se resuelven mediante la agrupación de unos (1) máximos posibles, y que el cero (0) representa la negación de la letra y el uno (1) la deja igual. Cada resultado por grupos se suma y finalmente mediante la aplicación de propiedades operativas de la adición y la multiplicación en sistemas digitales, reducimos la expresión así como se muestra a continuación. Para este cuadro encontramos 8 expresiones concentradas en 3 grupos:
Para la electroválvula D:
Recordemos que los mapas de Karnaugh se resuelven mediante la agrupación de unos (1) máximos posibles, y que el cero (0) representa la negación de la letra y el uno (1) la deja igual. Cada resultado por grupos se suma y finalmente mediante la aplicación de propiedades operativas de la adición y la multiplicación en sistemas digitales, reducimos la expresión así como se muestra a continuación. Para este cuadro encontramos 12 expresiones concentradas en 3 grupos:
Lección 23.1.3 – CONTROL DE ELECTROVALVULAS DE UN DEPÓSITO CONTENEDOR DE LIQUIDO - Parte III
Ahora vamos a implementar funciones que hemos encontrado para cada electroválvula, usando diagramas de contactos (KOP). Recordemos que las estructuras OR nos permiten la operación se suma mediante líneas en paralelo y
las estructuras AND nos permiten la operación de multiplicación mediante líneas en serie; para facilitar la programación primero hemos realizado una grafica con los símbolos asociados a una entrada o salida y un nombre asociado para su fácil reconocimiento. A continuación se muestra el diagrama de relés introducido. Cada electroválvula está programada en su propio segmento, haciendo un total de 4 segmentos
Para la electroválvula A:
Para la electroválvula B:
Para la electroválvula C:
Para la electroválvula D:
Ahora solo basta implementarlo en el software recomendado para el Siemens Step S7-200, para verificar su funcionalidad. Lección 24 – Manejo de instrucciones y operaciones basadas en contadores
Los contadores están construidos dentro del PLC y posibilitan contar eventos, acontecimientos o en general señales de entrada. Se puede contar las veces que una polea pasa por un punto determinado, número de vueltas que gira un eje en un tiempo, el número de personas que pasan por una puerta, entre otras posibles aplicaciones, sin embargo dependiendo del fabricante pueden existir en general tres tipos de contadores: Contadores ascendentes los cuales cuentan solamente ascendentemente (1, 2, 3, 4…) y que usualmente se denotan como CTU (Count
Up Counter); Contadores descendentes los cuales cuentan solamente descendentemente (9, 8, 7, 6…) y que usualmente se denotan como CTD (Count
Down Counter); y Contadores bidireccionales los cuales cuentan tanto ascendente
como descendentemente (1, 2, 3, 4, 3, 2, 3, 4, 5,...) y que usualmente se denotan como CTUD (Count Up/Down Counter) o simplemente C. También, muchos fabricantes incluyen un número limitado de contadores de alta velocidad denotados usualmente como HSC (high-speed counter). Típicamente el contador rápido es un dispositivo del hardware del PLC, mientras que los contadores mencionados anteriormente son implementados mediante software. Es decir, mientras que los contadores ordinarios no existen físicamente sino que son simulados en el programa monitor del PLC, los contadores de alta velocidad si existen como elemento del hardware y funciona de esta manera en forma independiente del tiempo de scan del PLC. En algunos PLC, de acuerdo como se inicialicen pueden ser: Contador ascendente ó Contador descendente. Por eso es aconsejable que antes de poner a funcionar un Contador se verifique de que tipo son los Contadores tiene el PLC a utilizar verificando las características técnicas de cada equipo. Una buena regla práctica es simplemente usar los contadores normales (software) cuando los pulsos que se estén contando arriben con periodos mayores a 2 veces el tiempo del SCAN. Por ejemplo, si el tiempo de SCAN es 2 ms y los pulsos que se están contando llegan cada 4 ms o más, es posible usar los contadores normales. Si al contrario los pulsos arriban cada 3 ms hay que hacer uso de los contadores rápidos. Típicamente los contadores de 16 bits pueden contar desde 0 hasta 9999 usando BCD (decimal codificado en binario), -32,768 hasta +32,767 o 0 hasta 65535 usando codificac ión binaria normal. El “SETEO” del valor del contador se realiza en el software, ó cuando esta corriendo el PLC mediante la utilización de “HAND HELD‟s” los cuales nos permitirán modificar a voluntad los
valores del contador al igual que visualizarlos mientras funcionan, en otras palabras, cuando el programa está corriendo en el PLC, el valor actual o el acumulado del contador puede ser visualizado en la consola de programación y ajuste del PLC. Cómo se incorporan los contadores en los diagramas Ladder para los PLC: En la parte condicional (Entradas) En la parte de acciones (Salidas)
Donde el símbolo (#) indica el numero que le corresponde a cada contador.
Específicamente para los modelos de Siemens, los contadores estarían representados por los siguientes símbolos:
Lección 24.1 – Contadores Ascendentes (Count Up Counter – CTU)
La operación de un contador ascendente es simple, el contador empieza en cero, cada vez que le llegue un pulso a su entrada, este contador incrementa su cuenta; cuando el contador llega a un valor prefijado sus contactos cambian de estado. En otras palabras, un flanco de subida en la entrada del elemento hace que el valor de la cuenta se incremente en uno. El flanco de subida se define como el cambio de una señal de F a V (0 a 1).
Hay dos tipos de contadores ascendentes uno que es cíclico, es decir una vez se llegue al valor máximo el contador se pone en ceros y sus contactos cambian de estado mientras se sobrepase el valor prefijado.
Otro tipo de contador es que una vez alcanza su valor de prefijación, este no sigue incrementando su valor así le lleguen pulsos, y su salida cambia de estado. Un tercer tipo es similar al anterior y solo difiere en que el contador sigue incrementando su cuenta pero sus contactos solo se activan mientras su cuenta sea igual al valor prefijado.
Lección 24.2 – Contadores Descendentes (Count Down Counter – CTD)
En este contador se empieza en un valor de prefijado (valor) cada vez que le llega un pulso a la entrada el contador decrementa su cuenta. Cuando llegue a cero su salida se activa. Hay dos tipos de contadores descendentes Uno cíclico, no cíclico y operación normal. En el caso de tener un contador cíclico: una vez su cuenta llegue a cero su cuenta vuelve nuevamente a su valor de prefijado y la salida se activa cada vez que haya un rebose y se mantiene activa mientras el contador esté en el valor del rebose.
Si se tiene un contador no cíclico el contador permanecerá en cero hasta que se dé un reset.
Lección 24.3 – Contadores Ascendente-Descendente (Count Up/Down Counter – CTUD)
Este Tipo de contador combina las dos operaciones que se describen anteriormente. Cuando se le introducen pulsos por una entrada UP el contador canta de forma ascendente y se le introducen pulsos por la entrada DOWN el contador decrece su cuenta. Este tipo de contador es cíclico, es decir que cuando su cuenta es menor de cero vuelve a su valor de pre-ajuste y la salida se cambia de estado. En el caso de contar de forma ascendente la salida cambia de estado cuando hay un desbordamiento, es decir cuando pasa de su valor máximo a cero.
Lección 24.4 – Funciones de SET y RESET para contadores
Como vimos en una lección anterior, estas funciones son muy útiles en los PLC. De la misma forma, la función de setear (activar) o resetear (desactivar) un contador se hace a través de los bit internos. La función de set causa que el bit se mantenga activo; para apagar un bit es necesario que haya un reset del mismo bit. Este tipo de función se conoce como las funciones de flip flop donde la bobina es activada una vez se haya lanzado su estado y se mantiene hasta que haya una función de reset. La función reset apaga la bobina y se mantiene activa hasta que haya una función de set. Lección 24.5 – Operaciones aritméticas aplicadas a contadores
La mayoría de PLC tiene las cuatro operaciones aritméticas básicas como son la suma, resta, multiplicación y división; aunque algunos de los PLC más avanzados pueden tener raíz cuadrada, cuadrados, funciones hiperbólicas, funciones trigonométricas, entre otros. Como las otras instrucciones, las operaciones matemáticas tienen su propio formato y no son tan diferentes como las que usamos los humanos, solo que estas operaciones solo se pueden hacer entre dos operandos. Las cuatro operaciones básicas tienen tres registros que definan los operandos fuentes como sumando-sumador, sustrayendo-sustractor, multiplicandomultiplicador y el tercero es el resultado. La mayoría de estas operaciones se deben hacer en aritmética de precisión simple, es decir que estas operaciones se deben almacenar en un solo registro, la mayoría de estas operaciones están limitadas a números entre 32767 y -37767 para números con signo y entre 0 y 65535 para números sin signo, si los datos a manipular están fuera de este rango
se deben conseguir PLC de gamas más avanzadas que soporten instrucciones aritméticas en doble precisión. SUMA: Un bloque de suma o adición tiene dos valores de entrada sumando y sumador, y colocan el resultado en un registro especificado en el tercer operador. Los valores de entrada pueden ser contantes, valores contenidos en los registros de entrada y salida, o variables almacenadas en posiciones de memoria. En la figura se ve un diagrama típico aunque entre fabricantes pueden variar los formatos. La operación se hace entre números de dos bytes (16 bits).
Hay que tener cuidado cuando la suma es mayor a máximo numero con signo del PLC, ya que un bit llamado Acarreo se activa y se pone en uno, y en ocasiones este bit se puede usar corregir errores, lo cual nos alteraría el control del proceso.
SUSTRACCION: La sustracción o resta, hace la diferencia sustrae dos valores que están almacenados en dos registros. El minuendo se resta del sustraendo y el resultado se guarda en el resultado. El minuendo y el sustraendo pueden ser constantes o registros y el resultado siempre es un registro. En la figura se puede ver un bloque típico de la sustracción.
Tenga en cuenta que si el resultado es negativo una bit de acarreo se puede activar y tomar el valor de uno (1).
MULTIPLICACION: Permite hacer la operación de multiplicación entre dos operadores multiplicando y multiplicador, el multiplicando es el número que se va repetir cuantas veces lo estipule el multiplicador. El resultado es almacenado en dos posiciones de memoria resultado, y resultado más uno, ya que si se multiplican dos números de dos byte el resultado es de cuatro bytes.
En este bloque no hay necesidad de tener en cuenta la bandera de acarreo ya que la operación nunca resulta más grande de cuatro bytes.
DIVISION: Permite hacer la división entre dos valores dividendo y un divisor. El dividendo normalmente es almacenado en dos posiciones de memoria dividendo y dividendo más uno (32 bits), por un divisor de dos byte (16 bits) el resultado se coloca en dos registros, resultado donde se gurda la parte entera de la división y resultado más uno donde se guarda el residuo.
Al igual que en la multiplicación no hay necesidad de tener en cuenta el bit de acarreo. COMPARACION: Cuando se usa la instrucción de comparación los valores deben ser almacenados en dos registros. Estos resultados son útiles cuando se revisan rangos de trabajo de variables o datos entre dos partes del programa. En algunos controladores existe un bloque para hacer la operación respectiva y hay tres banderas o bits que cambian de estado según el resultado, estos bits son llamados mayor que (>) menor que (<) igual (=) o la combinación de algunos de ellos mayor o igual (≥), menor o igual (≤) o diferente (≠).
En el circuito de la figura anterior, se puede visualizar que al oprimirse la entrada I0.0 se ejecuta la comparación entre los valores de “opr 1” y “opr2”. Si opr 1 es mayor que opr2 se activa la salida Q0.1, si los dos operandos son iguales se activa la salida Q0.0 y si el opr 1 es menor que opr 2 entonces se
activa la salida Q0.2. Se debe tener cuidado de no hacer dos operaciones de comparación a la vez ya que se pueden activar los bits de salida de forma errada. Algunos PLC tienen cuadros de operación directa entre los dos operandos como en los PLC del fabricante Telemecanique. Observemos los dos tipos de instrucción:
Lección 25 – Ejemplos prácticos agregando operaciones con contadores
Ejemplo 1: En el ejemplo siguiente, se tiene un CTUD para C48:
El sistema se pone en cero cuando el contacto de la entrada I0.2 se cierra. Este evento podría ser podría ser activado de forma automática o manualmente para indicar que la ubicación de almacenamiento asociado está vacía.
Cuando se cierra el contacto de la entrada I0.0, el contador inicia su cuenta ascendente y se incrementa en uno (1). Esto podría ser activado por un interruptor o un sensor de detección de proximidad de tal forma que cada vez que detecta la presencia de un artículo en un bodegaje y envía un alto (1) al sistema lo que incrementa la cuenta. Cuando el contacto de entrada I0.1 se cierra, el contador invierte su forma de conteo haciéndolo decreciente de a uno (1). Esto podría ser activado por un interruptor o sensor de detección de proximidad que indicaría que un artículo ha sido eliminado de la ubicación de almacenamiento. Tenga en cuenta que para este ejemplo, la ubicación de almacenamiento tiene 150 espacios. Cuando el recuento acumulado llega a 150, el bit de conteo se enciende, haciendo que el contacto con C48 se cierre, y por tanto la salida Q0.1 se active. Esto podría ser utilizado por el PLC, por ejemplo, para desencadenar otra lógica en el programa para desviar artículos nuevos a otra ubicación hasta que se elimine un elemento de esta ubicación.
Recordemos que los contadores previamente explicados son basados en los equipos de SIMATIC, por lo cual pueden existir algunas similitudes con los de otros fabricantes así como grandes diferencias. Tenga presente los siguientes parámetros al momento de hacer su programa:
Cada contador tiene una salida (Q) y el valor acumulado (CV) estará disponible en una localidad de conteo. Los CTU dejan de contar cuando el CV es igual al valor de preselección (PV), y se convierte en la salida Q. Los CTD tienen como característica que, cuando CV es igual a cero, deja de contar, y la salida Q se enciende. Los CTUD dejan de contar cuando CV es igual a PV y enciende una salida denominada QU. También el CTUD detiene el conteo descendente cuando CV es igual a cero y se activara una salida denominada QD. Lección 25 – Ejemplos prácticos agregando operaciones con contadores
Ejemplo 2: El dueño de un estacionamiento desea saber con cierta precisión la cantidad de vehículos que se encuentran estacionados en dicho lugar. Para ello instala dos sensores, uno en la entrada y otro en la salida. La capacidad máxima del parqueadero es de diez autos. Se decide entonces establecer cinco categorías:
1) Vacío 2) De uno a tres autos 3) De cuatro a seis autos 4) De siete a nueve autos 5) Lleno
Descripción del Circuito A cada una de las categorías se le asigna una salida del PLC, las cuales servirán para encender una luz en el tablero de control. Se pide que cuando el estacionamiento este lleno, la salida correspondiente parpadee en el tablero. Por lo tanto se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: Cada vez que un auto pase por la entrada activara a I0.0, con lo cual el contador sumara uno y cada vez que un auto salga del estacionamiento, activara a I0.1 con lo cual el contador restara uno. A la salida Q0.0 se le asigna la condición de vacío y como se ve en el circuito esta solamente se activa cuando la comparación matemática se cumple o sea cuando hay cero coches en el estacionamiento. A la salida Q0.1 se le asigna la condición de uno a tres autos, para poder cumplir con esto se colocan dos contactos de comparación. El primer contacto estará activado siempre que haya uno o más autos y el segundo estará activado siempre que haya hasta tres autos. La salida Q0.1 tendrá valor lógico igual a "1" cuando el primer y el segundo contacto estén activados. A la salida Q0.2 se le asigna la condición de cuatro a seis autos. El primer contacto estará activado siempre que haya cuatro o más autos y el segundo estará activado siempre que haya hasta seis autos. La salida Q0.2 tendrá valor lógico igual a "1" cuando el primer y el segundo contacto estén activados. A la salida Q0.3 se le asigna la condición de siete a nueve autos. El primer contacto estará activado siempre que haya siete o más autos y el segundo estará activado siempre que haya hasta nueve autos. La salida Q0.3 tendrá valor lógico igual a "1" cuando el primer y el segundo contacto estén activados.
Cuando el contador alcanza el valor de diez, el normal abierto del mismo se activa y con SM0.5 producen el parpadeo de la salida Q0.4 que es la encargada de la condición de lleno. El contacto SM0.5 es lo que se llama Marca Especial y tiene como función en este caso producir el parpadeo de la salida. Este contacto se activa durante medio segundo y luego se desactiva durante medio segundo repitiéndose nuevamente el ciclo de activación y desactivación. La entrada I0.2 se coloca por si hay que resetear el contador luego de una reparación.
Capitulo 6. Manejo de equipos y programación de eventos
En algunos procesos industriales es necesario que algunas acciones no se realicen inmediatamente después de que se energice una bobina sino un tiempo después, especialmente en procesos que tengan incorporados motores y controles de temperatura, o simplemente hay necesidad de esperar tiempos muertos para que alguna variable se establezca en un punto, entre otros. Estos dispositivos se llaman timers, aunque sería mejor llamarlos retardadores; siempre que en la industria se necesite un retardo de tiempo se debe utilizar un timer. Lección 26 – Manejo de instrucciones y operaciones basadas en temporizadores
En la industria existen dos tipos de timer el on delay y los off delay llamados así porque uno tiene retardo al energizar, es decir, los contactos cambian de estado un tiempo T después de energizada la bobina y los segundos son aquellos que vuelven a su estado de reposo tiempo después de que se ha desenergizado la bobina. En la siguiente figura se muestra detalladamente cada uno de sus funcionamientos.
Como se puede observar, los temporizadores pueden tener tanto contactos NA como NC sólo que su acción cambia un poco como se explica a continuación: Temporizadores On-Delay: Este tipo de temporizador simplemente retrasa el encendido. En otras palabras, después que un sensor (entrada) activa la temporización, el temporizador espera por un tiempo predeterminado antes de activar su salida. Este es el más común de los temporizadores y usualmente se denota como TON (timer on-delay). Al interior del PLC y de la estructura del programa, si tenemos un temporizador ON DELAY los contactos NA se mantienen abiertos un tiempo T (retardo del temporizador) después que se haya energizado la bobina, se cierran después de transcurrido el tiempo T y se mantienen cerrados hasta que se desenergice la bobina del temporizador, luego se vuelven a abrir. Cosa similar sucede con los contactos NC.
Temporizadores Off-Delay o de reposo: Este temporizador retarda la desactivación de una salida. Por ejemplo, después que un sensor detecta un objetivo, se activa inmediatamente una salida, y luego cuando ya el sensor no está detectando más el objetivo, la salida se mantiene encendida por un tiempo determinado antes de desactivarla. El símbolo para este tipo de temporizadores
es TOF (timer off-delay) y es menos común que el temporizador ON-DELAY. Para los temporizadores off delay, el comportamiento del PLC no es tan diferente de la descricpcion mencionada, puesto que ante la desenergización los contactos NC se mantienen cerrados si la bobina no está energizada; al energizar la bobina los contactos cambian de estado, es decir, se abren, y se mantienen así por un tiempo que es la suma del tiempo que dura energizada la bobina más un tiempo que se puede programar T. Después de transcurrido este tiempo los contactos vuelven a su estado de reposo, NC. Los temporizadores, al igual que los contactores y los relés auxiliares, constan de una bobina y unos contactos que pueden ser normalmente abiertos o cerrados, sólo que a estos temporizadores se les agrega un tiempo de espera como ya se mencionó anteriormente. Cuando se trabajan temporizadores discretos en los montajes electromagnéticos se tiene que hacer conexiones en las bobinas y en los contactos, y se debe ajustar el tiempo T de retardo mencionado anteriormente, ya sean timer ON u OFF delay; es importante mencionar que estos temporizadores sólo se pueden programar para un sólo tiempo. Si se necesita variar el tiempo, se debe usar un temporizador por cada tiempo. Existe un modelo especial de temporizador que también se puede tener presente para configuraciones de PLC, y que puede ser utilizado en algunas aplicaciones: Temporizador acumulativo o de retención: Este tipo de temporizador requiere de dos entradas. Una de las entradas inicia la temporización y la otra la restaura a cero. La temporización de los mencionados anteriormente es restaurada a cero una vez que la entrada del sensor que los activa cambia de estado sin que haya concluido la temporización, mientras que este tipo de temporizador mantiene el tiempo de temporización que haya transcurrido cuando el mismo sea desactivado a mitad del ciclo de temporización. Por ejemplo, si se desea conocer cuánto tiempo estuvo un sensor activado durante el intervalo de una hora, hay que usar temporizador acumulativo ya que si se usan los ordinarios (on / off delay) el temporizador que lleva la cuenta del tiempo se mantendría reseteado cada vez que el sensor se desactive / active. Un símbolo para este tipo de temporizador es RTO (retentive timer) o TMRA (accumulating timer).
Para los modelos de Siemens y en general para los fabricantes que acojen la IEC1131-3 para temporizadores, podemos encontrar diagramas con los siguientes simbolos:
Lección 27 – Ejemplos Ejemplos prácticos agregando operaciones con temporizadores
Ejemplo 1: Diseñe un circuito básico donde se pueda ilustrar el funcionamiento de un temporizador on delay o con retardo a la energización.
Diagrama de control
Diagrama de tiempos
Para entender el funcionamiento del circuito de la figura se debe energizar el circuito por medio del pulsador 1PB; al hacerse esto se activa 1M y se cierra el contacto respectivo. Como la bobina de 1TR está en paralelo, su bobina también se energiza y empieza a contar el tiempo programado. Una vez haya terminado de contar el tiempo se cierran sus contacto y se energiza la bobina de 2M.
Lección 27 – Ejemplos Ejemplos prácticos agregando operaciones con temporizadores
Ejemplo 2: Diseñe un circuito básico donde se pueda ilustrar el funcionamiento de un temporizador off delay.
Diagrama de control
Diagrama de tiempos
Para energizar el contactor 1M se acciona el pulsador 1PB, y con esto también queda energizado el temporizador 1TR. Como el temporizador es energizado al reposo o a la desenergización el contactor 2M se energiza simultáneamente con 1M. Cuando se quiere apagar el circuito se activa 2PB y después de esto los contactos de 1TR se mantienen cerrados hasta que se haya concluido el tiempo tc programado en timer. Lección 27 – Ejemplos Ejemplos prácticos agregando operaciones con temporizadores
Ejemplo 3: Diseñe un circuito que me permita hacer la activación de un contactor por un tiempo definido.
Diagrama de control
Diagrama de tiempos
Este circuito funciona de forma sencilla, simplemente se debe energizar el circuito por medio de 1PB; éste energiza la bobina de 1CR y se mantiene por el contacto NA en paralelo con el pulsador 1PB. A su vez, en la segunda línea el contacto 1CR se cierra y energiza 2M. La bobina del temporizador se energiza simultáneamente con la bobina de 1CR, el temporizador empieza a contar su tiempo programado y luego se abre el contacto NC que desactiva 2M
Lección 27 – Ejemplos Ejemplos prácticos agregando operaciones con temporizadores
Ejemplo 4: Diseñe un circuito que me permita hacer la implementación de un timer off delay a partir de un on delay.
Diagrama de control
Diagrama de tiempos
El temporizador off delay es muy escaso en los PLC y algunas veces se hace necesario implementarlo con un on delay. Este circuito funciona de igual manera que un timer off delay, sólo que en el momento de la energización o encendido del PLC el contactor 2M se activa por un tiempo tc. Lección 27 – Ejemplos Ejemplos prácticos agregando operaciones con temporizadores
Ejemplo 5: Diseñe un circuito que me permita un control donde se autoapague después de un tiempo.
Diagrama de control
Diagrama de tiempos
Este circuito de control es útil cuando se necesite apagar un proceso y después de esto debe seguir la última parte de este. Un ejemplo de este tipo lo constituye el frenado de motores; después de haberse apagado el motor se deben poner en cortocircuito los terminales de un motor de c.c. o inyectarle corriente continua a un motor de inducción, dejarlo un tiempo y quitarle el frenado. El circuito funciona de la siguiente forma: al pulsar 1PB se energiza la bobina de 1M e inmediatamente se cierra el contacto que está en paralelo con él; adicionalmente se energiza el temporizador 1TR, el temporizador espera a que transcurra el tiempo de retardo tc y después cambian de estado sus contactos; al hacerlo, se abre el contacto NC que está en serie con las bobinas y deja tanto a 1M como 1TR sin energía y el circuito total tota l queda en su estado de reposo. Lección 27 – Ejemplos Ejemplos prácticos agregando operaciones con temporizadores
Ejemplo 6: Diseñe un circuito oscilador astable que comande un contactor con tiempos de encendido y apagados determinados por el usuario.
Diagrama de control
Diagrama de tiempos
Este tipo de circuito es útil cuando se quiere señalizar algo por medio de una alarma que encienda y apague. El circuito se acciona por medio de 1PB quien energiza a 1CR que simplemente sirve para mantener funcionando el circuito y habilitar el funcionamiento de los temporizadores, inmediatamente se energiza 1TR; transcurrido el tiempo Toff (programado en 1TR) los contactos se cierran y habilitan la bobina de 2TR, se debe esperar a que transcurra el tiempo de encendido Ton (programado en 2TR). Después de esto, el contacto de 2TR se abre y deja sin energía a 1TR, los contactos vuelven a su estado inicial y desenergizan a 2TR, éste queda sin energía y activa nuevamente a 1TR. El ciclo se repite hasta que se pulse 2PB. Lección 27 – Ejemplos prácticos agregando operaciones con temporizadores
Ejemplo 7: Diseñe un circuito de control que haga una secuencia de encendido de unas luces. Como condición principal se tiene que el circuito debe ser secuencial de tres pasos repetitivos.
Diagrama de control
Diagrama de tiempos
Los circuitos anteriores sirven como referencia para automatizaciones más complejas de procesos con base en temporizadores, al oprimirse el pulsador 1PB el temporizador 1TR se energiza, y después de un tiempo se activan sus contactos y dejan sin energía el temporizador 1TR y el relé auxiliar 1CR. El temporizador 2TR mantiene su energía por medio del relé auxiliar 2CR. Después de un tiempo se activa el contacto NA en el tercer peldaño y este a su vez quita la energía al relé auxiliar 2CR y el segundo temporizador. El tercer peldaño funciona de la misma manera que los anteriores sólo que al pasar el tiempo de 3TR se energiza nuevamente el primer peldaño y el proceso se repite hasta que se pulse 2PB que deja todo el circuito de control sin energía.
Lección 27.1 – Ejemplo aplicados basados en temporizadores
Hasta el momento hemos expuesto ejemplos con configuraciones practicas que son utilizadas desde el PLC para acciones en procesos basados en temporizadores. Vamos a revisar ahora ejemplos aplicados a procesos reales que se pueden encontrar en la industria. Lección 27.1 – Ejemplo aplicados basados en temporizadores - Ejemplo 1
A continuación se muestra una grafica donde se puede ilustrar un alimentador de maderas en un aserradero; este alimentador consta de un motor trifásico que es reversible, este es acoplado por medio de un reductor de velocidad a un tornillo, que al girar convierte el movimiento circular en lineal; al final del tornillo hay una mesa que lleva la madera hasta la sierra; en el otro extremo se encuentra un depósito donde se acomodan todas las maderas que van a ser cortadas. El alimentador debe funcionar de la siguiente manera: un operario acomoda las maderas, él debe oprimir un botón de inicio para que la madera sea empujada hasta el alimentador, hasta cuando llegue a un punto especifico, entonces el motor se detendrá, se esperara un momento a que la velocidad llegue a cero y luego se debe invertir el sentido de giro, esto se debe mantener hasta que se detecte que ha llegado al extremo, entonces se debe esperar a que se vuelva a pulsar el botón de arranque para cortar la otra madera. Tenga en cuenta que el sistema debe contar con una parada de emergencia.
Diagrama de proceso
Diagrama de conexiones del motor
Diagrama de control
Teniendo en cuenta el enunciado del ejercicio, el sistema de control quedaría configurado para que el operario acomode las maderas y luego él deberá oprimir un pulsador 1PB que inicia el proceso; la madera debe será empujada hasta el alimentador, cuando se oprima el final de carrera 1FC el motor se debe detener, se espera un momento a que la velocidad llegue a cero y luego se debe invertir el sentido de giro, esto se debe mantener hasta que se oprima el final de carrera 2FC y se debe esperar a que se vuelva a pulsar 1PB para cortar la otra madera. Se ha provisto de un pulsador 3PB como parada de emergencia. Lección 27.1 – Ejemplo aplicados basados en temporizadores - Ejemplo 2
A continuación se muestra una grafica donde se puede ver un bosquejo de una lavadora industrial esta consta de un recipiente donde se coloca la ropa sucia, en esta se vierte agua y jabón, posteriormente se debe mover el motor a velocidad baja para lavar la ropa, el giro horario y anti-horario se logra por medio de un dispositivo mecánico. Posteriormente se hace el secado por centrifugado y consiste en hacer girar la ropa a alta velocidad sin invertir el giro. Al realizar esta operación el dispositivo inversor de giro se desconecta y el agua se puede enviar al alcantarillado. Se omiten ciertos pasos puesto que se trata de un ejemplo ilustrativo y no de una solución integral.
Diagrama de proceso
Diagrama de conexiones del motor
Diagrama de control
Casi todos los procesos industriales se pueden realizar a base de temporizadores pero estos no son muy precisos y los procesos mecánicos conllevan alteraciones que no se pueden detectar por estos elementos. Como concejo práctico se debe implementar toda automatización por medio de sensores o finales de carrera. Lección 27.1 – Ejemplo aplicados basados en temporizadores - Ejemplo 3
Se pretende controlar un sistema de alarma para una vivienda. De acuerdo con lo que se muestra en la figura siguiente, la vivienda se divide en dos zonas que se vigilan independientemente, la zona 1 y la zona 2. Si se detecta un intruso en cualquiera de las dos zonas, se dispara la alarma:
Diagrama de proceso
Las entradas y salidas del autómata a utilizar son las siguientes:
El funcionamiento del programa debe ser el siguiente: Si la alarma no está activada, y se detecta alguna persona en la zona 1 o en la zona 2 lo único que sucede es que el led indicador parpadea. Se supone que son los propietarios los que se encuentran en la vivienda. Al activar la alarma mediante el interruptor I0.2, se enciende el led indicador y se dan 90 segundos para que el propietario pueda salir de la vivienda. Durante ese tiempo, el sistema no reacciona ante la detección de personas en cualquiera de las zonas. Pasados los 90 segundos, la alarma está lista para funcionar. Una vez transcurridos los 90 segundos, en el caso de detectar un intruso se activa una señal de alerta baja (se usará una marca interna del autómata). Una vez activada la señal de alerta baja pueden suceder dos cosas: - Antes de que transcurran 60 segundos se desconecta el sistema mediante el interruptor I0.2. Esto quiere decir que es el propietario quien ha entrado en la casa y ha desconectado la alarma. - Transcurren 60 segundos y nadie desconecta el sistema. Esto quiere decir que realmente hay un intruso. Se activan tanto la sirena como el relé para la marcación telefónica automática (por ejemplo, para llamar a la policía). Si se activa manualmente la sirena y el relé mediante el botón I0.3, se pondrán en marcha tanto la sirena como el relé con independencia de que la alarma esté conectada o desconectada (interruptor I0.2) y sin tiempo de espera. Si se desactiva el sistema con el interruptor I0.2 se desactivan sirena y relé, se apaga el led indicador y se resetean los temporizadores.
A continuación se comenzará por escribir una tabla de símbolos para que el programa resulte más legible. Trate de utilizar nombres o nomenclaturas relacionadas, con las cuales usted pueda identificar la variable de manera sencilla. La tabla de símbolos a introducir será la siguiente:
Una vez introducida la tabla de símbolos, se introducirá el programa en lenguaje KOP, tal y como se indica en la página siguiente, y se realizarán pruebas del mismo. Para realizar las pruebas más rápidamente se recomienda reducir los tiempos de los temporizadores. También se recomienda crear una tabla de estado para poder ver los valores de las entradas, salidas, marcas y temporizadores simultáneamente.
Lección 27.1 – Ejemplo aplicados basados en temporizadores - Ejemplo 4
En una Industria hay un proceso de manufacturación, en el cual se necesita mezclar un componente durante un tiempo de dos minutos. En el proceso se realiza un control de calidad, por lo cual se toman muestras del material que luego serán analizadas en un laboratorio. Las tomas de las muestras se realizan en cualquier instante durante los dos minutos. Cuando se detiene el proceso para las tomas de muestras, no se debe perder el tiempo de mezclado hasta ese momento. La suma de estos tiempos de mezclado tiene que ser igual al tiempo prefijado.
Descripción del Circuito:
Vamos a considerar que la entrada I0.0 es el pulsador de arranque, I0.1 es el pulsador de parada. La salida Q0.0 será la encargada de alimentar el contactor que pondrá en marcha al motor de la mezcladora. Tomaremos el temporizador T5 que tiene una base de tiempo de 100 milisegundos. Para determinar el valor que debemos poner en el terminal PT aplicaremos la regla práctica.
Cuando se presiona la entrada I0.0 se activa la salida Q0.0, poniendo en marcha al motor de la mezcladora. En determinado instante se necesita tomar una muestra, por lo cual se para el motor a través la entrada I0.1. El tiempo de mezclado esta ese momento se guarda en el temporizador T5. Terminada la toma de muestra, se arranca nuevamente el motor. El temporizador sigue contando porque el normal abierto de Q0.0 se cierra. Si se desea tomar más muestras se repite el procedimiento antes mencionado. Cuando el temporizador T5 alcanza el valor de preselección (PT) se activa el bit de temporización. Entonces el normal abierto de T5 se cierra activando el Reset de Q0.0, parando entonces el motor. Una vez que motor paro, el normal cerrado de Q0.0 permite la circulación de la corriente a través de la bobina de Reset de T5 produciendo la desactivación del temporizador.
La CPU 221 ofrece temporizaciones con bases de tiempo de 1ms, 10ms y 100ms. No deberán utilizarse temporizadores repetidos. Cada temporizador del S7-200 tiene un bit de estado (temporización transcurrida/no transcurrida). Este bit se denomina bit de tiempo. Para el T34 se denomina T34. Es decir, la entrada E0.3 debe tener durante 1 s el valor “1” antes de que el bit de tiempo T34 esté a “1”. Si se anula la señal de habilitación “IN” y no ha transcurrido aún el tiempo de espera, la temporización se pone a “0” y no se activa el bit de tiempo (ver el siguiente
diagrama). El bit de tiempo puede utilizarse como un operando normal.
Se precisa un retardo a la conexión sin memoria de 1s. El S7-200 (CPU 221) dispone de 256 temporizadores, denominados de T0 a T255. En este ejemplo se utiliza el T34. Lección 28 – Manejo de instrucciones y operaciones con señales análogas
Hasta el momento hemos revisado formas de programación y mando de procesos basados en entradas y salidas discretas, pero contrario a estas Entradas/Salidas digitales, (1 o 0), las señales analógicas toman la forma de una señal variable continuamente en el tiempo y dentro de un rango predefinido. Ya que la CPU del PLC solo es capaz de funcionar internamente usando señales digitales, al conectar entradas analógicas o salidas analógicas requiere componentes de hardware especiales, como conversores análogo a digital (DAC) o conversores digital a análogo (ADC) o circuitos acondicionadores de señal que me permita trabajar una variable análoga en los rangos establecidos en los protocolos internacionales. Recordemos que un fenómeno de tipo físico tal como la temperatura, la presión, entre muchos otros, es capturado por los transductores que a su vez están incorporados en los sensores que se encargan de convertir estos estímulos físicos en señales de tipo eléctrico. Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero
(hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, cinco voltios (5V) y cero voltios (0V) o en su defecto valores muy próximos. Este tipo de sensor sirve monitorear la variable solo en un punto o set point, si en un proceso se necesita controlar varios puntos, es necesario comprar un sensor para monitorear cada uno de estos estados incrementando muchas veces el costo.
Muchas veces se hace deseable medir la misma variable varias veces usando un solo sensor. Esto se logra con un sensor del tipo análogo, que es un dispositivo que tiene varios niveles de sensado. Este tipo de sensor viene con una salida estandarizada, según los protocolos internacionales las más comunes son:
4mA - 20mA 0V - 5V 0V - 10V -10V - 10V
Este tipo de sensores se usa en las maquinas que deben tener varios procesos en diferentes épocas o momentos o simplemente para variar la composición de los productos que tienen que sacar al mercado.
La principal característica de un sensor análogo es que la salida es directa o inversamente proporcional a la variable medida pero en relación lineal como se puede apreciar en la siguiente figura.
Variable de salida en el sensor: Voltios
Variable de salida en el sensor: miliamperios
La relación entre la variable de entrada y la salida se puede relacionar por medio de la ecuación de la de una recta con pendiente determinada:
Donde: Vsal = Es la variable de salida m = Es la pendiente de la recta Ven = Es la variable de entrada b = El punto de corte con el eje Y
Para la siguiente figura, vamos a repasar las etapas que tiene un sensor. En el primer bloque se tiene el transductor (puede ser un cristal piezo eléctrico, un potenciómetro, una RTD) que es un dispositivo que permite cambiar una variable física en una señal eléctrica como tensión, corriente, frecuencia resistencia, entre otros.
El segundo bloque es un acondicionador de señal, la principal función de este permitir que haya una relación lineal entre la variable de entrada y la variable de salida, en este bloque puede haber linealizadores, interpoladores cuadráticos, interpoladores logarítmicos, redes neuronales, entre otros. El tercer bloque es el circuito de potencia que se encarga de darla a la salida los niveles de tensión y corriente necesarios para transmitir la señal. Como se dijo anteriormente la relación entre la variable de entrada y salida es una línea recta que se puede relacionar por medio de la ecuación de la recta con pendiente definida. Pero para que la relación se cumpla se deben hallar los valores de m y b por medio de las siguientes ecuaciones:
Donde: Smax = es la salida máxima en tensión o en corriente de la variable del sensor. Smin = es la salida mínima en tensión o en corriente de la variable del sensor. Imin = es el valor mínimo de la entrada del sensor. Imax = es el valor máximo de la entrada del sensor.
Por ejemplo, teniendo en cuenta la figura anterior donde se muestra el comportamiento de un sensor, vamos a hallar los valores de m y b:
Para la salida en Voltaje:
Para la salida en corriente:
Lección 28.1 – Conexión de los sensores al PLC - Parte I
Este sensor se coloca a una entrada del tipo análogo y se puede ver su valor en una posición de memoria. Claro está que para que el PLC entienda el valor se debe hacer pasar por un conversor análogo digital, y sus valores no van a ser en variables propias del sensor sino en números entre 0 y 255 (u otros valores, según los bits del CAD). Es así como en un sensor de presión entre 0 y 20 psi se tiene valores de cero cuando se tienen una presión de 0 psi y un valor de 255 cuando se tiene un valor de 20psi.
Como se puede ver en la figura anterior, para conectar un sensor análogo con salida en tensión o corriente se debe hacer pasar por un conversor análogo digital y este traslada la lectura a una posición de memoria. La diferencia entre la medición de la señal de tensión y la de corriente es una resistencia conectada en paralelo con el sensor de corriente para hacer el traslado a la señal de tensión, esta resistencia es de alta precisión y se coloca internamente en el módulo análogo, y este viene con dos entradas diferentes, una para tensión y otra corriente, pero no se pueden colocar un sensor en cada entrada.
La relación que hay entre la entrada del conversor y la salida es completamente lineal como se muestra en la siguiente grafica. La salida siempre va a estar entre 0 y 255 no importa los rangos de la variable de entrada.
Variable de salida en el sensor: Voltios
Variable de salida en el sensor: miliamperios
La matemática para estos sensores se puede hallar con las ecuaciones que ya se han explicado en la lección anterior y de forma similar como se mostró en el ejemplo. Para hacer la automatización en base a sensores análogos se implementó una metodología similar a los de los sensores digitales y temporizadores. La diferencia principal radica en un módulo de comparación que se coloca al final de cada peldaño. El módulo de comparación es solo uno (1) y se usa varias veces por eso este tipo de automatizaciones pueden hacer comparaciones en cascada y nunca en paralelo, porque al estar en paralelo se activan los bits al mismo tiempo y no hay forma para distinguir con que módulo se activa las banderas. El módulo de comparación tiene tres banderas, una de menor, una de mayor y otra de igual. La comparación es simplemente una resta entre dos cantidades, una es la lectura proveniente del canal del conversor análogo digital y la otra es el set point de la variable. Al restar dos cantidades solo se activa una bandera a la vez como se puede observar en la siguiente muestra:
Si la lectura del canal es menor que la lectura del set point, el bit menor que se pone en uno (L=1), el bit igual en cero (E=0) y mayor en cero (M=0)
Si la lectura del canal es igual que la lectura del set point el bit menor se pone en cero (L=0), el bit igual en uno (E=1) y el bit mayor que en cero (M=0)
Si la lectura del canal es mayor que la lectura del set point el bit menor se pone en cero (L=0), el bit igual en cero (E=0) y el bit mayor que en uno (M=1). Como apreciación importante es mejor consultar al fabricante del PLC si la comparación es Lcan – Sp o Sp – Lcan ya que cada fabricante de CPU hace las operaciones como mejor les convenga. Lección 28.1 – Conexión de los sensores al PLC - Parte II
El circuito para hacer automatizaciones en base a sensores análogos se muestra a continuación:
Para que las entradas y salidas analógicas sean útiles, el software de programación debe suministrar los medios de llevar a cabo las funciones deseadas. Las funciones analógicas básicas usadas en control industrial incluyen: setear un nivel analógico de salida basado en un valor digital convertir una señal de entrada analógica en un valor digital
Al igual que en las lecciones anteriores, el circuito básico para hacer control con sensores análogos está dividido en dos secciones una parte combinacional y otra secuencial. La primera se encarga de dividir todo el proceso en secciones y tener
un relé auxiliar por cada una de estas divisiones y la segunda parte, combinacional, se encarga de combinar los contactos de los CR usados en la parte combinacional para activar las salidas. El circuito combinacional también tiene tres tipos de peldaños: El inicio: es el primero que se encuentra en el diagrama en escalera, está conformado por un pulsador de inicio 1PB, un pulsador de parada, 2PB, un relé auxiliar 1CR que se encarga de mantener el estado de funcionamiento y activar las salidas en la parte combinacional. En paralelo con el relé auxiliar se tiene un módulo comparador que se encarga de vigilar cuando la variable llega a su valor de consigna. Este comparador está comparando continuamente la lectura del sensor y el set point escrito a la hora de hacer el programa. Al hacer una comparación el resultado puede ser que el numero de consigna sea menor, igual o mayor que el valor del sensor y cuando esto sucede se activa un bit L, E o M para indicar su estado respectivamente. Adicionalmente este peldaño tiene un contacto NC en serie con el pulsador de parada para quitarle de forma natural la energía al peldaño. Para hacer el cambio de peldaño se recomienda no usar el bit L porque puede ser que la velocidad del proceso sea más grande o menor que el valor de consigna o por ruido no se pueda activar este bit. El repetitivo: esta sección se repite muchas veces y va siempre entre el segundo peldaño y el antepenúltimo. Está compuesto de un contacto NA del relé auxiliar anterior, en serie con un contacto de estado (que puede ser L, E o M). Estos están en paralelo con un contacto del relé auxiliar propio del peldaño para mantener la energía; un pulsador NC que se activa solamente en el caso de que haya una parada de emergencia. En seguida, está un contacto NC del relé auxiliar del peldaño inmediatamente siguiente. Y al final del peldaño, se encuentra la bobina del relé descriptor del peldaño en paralelo con un comparador quien se encarga de monitorear el estado del sensor. El final: es el peldaño que se debe colocar al final de la parte secuencial, en gran parte es similar al peldaño repetitivo, sólo que acá en vez de tener un contacto NC del relé siguiente se tiene un sensor de condición inicial. Este se hace necesario para tener un punto obligatorio de inicio del proceso. Observe que el peldaño final no tiene unidad de comparación.
Lección 29 – Ejemplos prácticos incorporando operaciones con señales análogas
Ejemplo 1: Mando para una lijadora neumática. La lijadora que se muestra en la figura siguiente, se usa para rectificar las piezas provenientes de una cortadora. Consta de un motor (1) que se encarga de hacer girar la lija que viene pegada en el eje de la broca, esta se debe encender apenas se inicie la acción y se debe apagar cuando se termine de lijar la pieza. Unos cilindros neumáticos hacen el movimiento en el eje X (cilindro 1) y en Y (cilindro 2). Los cilindros son controlados por las electroválvulas EV1, EV2, EV3 y EV4. Las piezas que se van a rectificar son rectangulares y se ubican como se ve en la
figura; la rectificación se debe hacer por dentro. La pieza, en el eje X se tiene una longitud de 8 cm. y en el eje Y mide 8 cm., los bordes miden 2 CC.
Para este tipo de problemas, en primer lugar se requiere sacar un listado de actividades a ejecutar, como un paso a paso, con la cual podamos tener como referencia que actividad antecede o precede a la otra. Por lo tanto el listado de actividades será: 1) Selección de los sensores: los sensores son de distancia con una longitud total de 20cm (Perímetro que determina el grosor de la tabla - ver la figura siguiente) resistivos y la salida es de 0V a 5V. Estos deben ser conectados a un módulo análogo digital de 8 bits conectados en la posición 250 y 251. El valor mínimo se coloca cerca al cilindro 2 para ambos sensores.
2) Sensores de condiciones iniciales: estos dos sensores son capacitivos digitales que también se colocan cerca al cilindro 2. 3) Pulsadores de control: en este caso se usan 4 pulsadores, uno para encendido, otro para parada de emergencia y dos de condiciones iniciales. 4) Salidas: se usan cinco contactores, dos para manejar cada cilindro, salida y entrada de líquido. Y el quinto para energizar el motor de la lijadora. 5) Elaboración del circuito de potencia.
6) Conexiones de entradas y salidas al PLC. 7) Elaborar una tabla a manera de cronograma de actividades: las acciones a seguir son: Iniciar el proceso Sacar el cilindro X hasta los 10 cm. lectura del sensor 127. Sacar el cilindro en Y hasta los 10 cm. lectura del sensor 127. Encoger el cilindro en X hasta los 2 cm. lectura del sensor 25 Encoger el cilindro en Y hasta los 2 cm. lectura del sensor 25.
8) Finalmente elaborar el circuito de control.
Lección 30 – Preámbulo a los métodos de comunicación para el PLC
Una red de computadoras es un conjunto interconectado de procesadores, capaces de intercambiar información entre sí. El estudio completo de redes de
computadoras puede abarcar varios libros, por lo que sólo se presentarán aquí algunos aspectos. Justamente, se presentarán aquellos aspectos de las redes que estén relacionados con la implementación de Sistemas Digitales de Control de Procesos. En la industria, el uso de computadoras digitales aplicadas al control automático evolucionó desde un único computador supervisando algunos controladores analógicos, a complejos sistemas que interrelacionan múltiples procesadores.
Estos procesadores comprenden controladores PID mono y multilazo, estaciones de operación, PLC, transmisores inteligentes, entre otros que están integrados en una o varias redes de datos de tiempo real, también denominados redes de control de procesos. Por otra parte, las plantas industriales cuentan en muchos casos con sistemas de computadoras a fin de satisfacer sus necesidades administrativas y gerenciales. Llamaremos red administrativa a este sistema. Surgen entonces dos áreas para la implementación de redes en las que participan los equipos digitales de control de procesos: la integración de estos equipos entre sí, y la integración de estos equipos con la red administrativa.
La integración de equipos digitales de control de procesos en una red de datos en tiempo real presenta problemas de diversa índole. Consideremos el caso de los Sistemas de Control Distribuido (DCS). Si bien estos tienen varias redes como parte de su arquitectura, su diseño es propiedad del proveedor, sin que el usuario pueda disponer de su especificación.
La integración de controladores unilazo con una PC es un problema de naturaleza distinta. En este caso, el usuario accede a todos los aspectos de la implementación de la red; y debe analizar aspectos tales como la respuesta en tiempo real del sistema, ya que ésta no es Garantizada por el diseño del sistema. Lamentablemente, no existe una norma de comunicaciones para la transmisión de datos en tiempo real que haya alcanzado un alto grado de difusión. Esto hace que en algunos casos resulte técnicamente difícil integrar equipos de distintos fabricantes. Más aún, en algunos casos puede resultar técnico / económicamente desaconsejable. Varias normas emergentes intentan llenar este vacío, como MAP,
SP50, entre otras, sin que ninguna de ellas haya logrado, hasta ahora, una amplia difusión. Las redes de datos de tiempo real y las administrativas implican distintos conceptos. Consideremos, por ejemplo, la seguridad. En la red administrativa la seguridad está asociada al acceso a la información. En la red de control de procesos, la seguridad también está asociada a la disponibilidad de los datos en tiempo real, y a la inmunidad del sistema a fallas de algún componente, como la rotura de un cable. Por tal motivo, es deseable la implementación de redes de alta velocidad, sobre buses redundantes.
En este capítulo presentaremos conceptos básicos de redes, que permitirán una mejor comprensión del problema de las comunicaciones digitales, en relación a las dos áreas mencionadas. Inicialmente, analizaremos la integración de equipos de control según esquema denominado maestro-esclavo. Este esquema es frecuentemente utilizado en la integración de PLC o instrumentos unilazo con computadoras personales. Este caso nos servirá para analizar las complejidades del problema de comunicaciones, y servirá como introducción para la presentación del modelo ISO/OSI para interconexión de sistemas. Luego reanalizaremos el esquema maestro-esclavo a la luz del modelo ISO/OSI. Finalmente se presentarán distintos protocolos, y se los analizará desde el punto de vista de las problemáticas mencionadas.
Analizaremos a continuación los aspectos asociados a la comunicación de dos o más equipos digitales de control de procesos comunicados entre sí según el esquema maestro-esclavo. Este esquema es usual en muchas plantas industriales, para la integración de controladores unilazo o PLC con computadoras personales.
Lección 30 – Preámbulo a los métodos de comunicación para el PLC II
En forma simplificada, el sistema consta de un equipo digital al que llamaremos maestro, y uno o varios equipos digitales a los que llamaremos esclavos. La diferencia básica entre el maestro y los esclavos es que el maestro inicia las comunicaciones. Los esclavos sólo envían mensajes cuando el maestro así se los solicita. El proceso por el cual el maestro envía un mensaje, y recibe una respuesta del esclavo (si así lo solicitó) se denomina transacción.
Existen dos tipos de transacción: Consulta / respuesta (query / response): El maestro transmite un mensaje a un esclavo determinado, el que transmite una respuesta correspondiente al mensaje que recibió. Cada esclavo está identificado con una dirección (address) único en la red. Tanto el mensaje de consulta como el de respuesta contienen la dirección que identifica al esclavo al que fue dirigida la consulta. El mensaje que envía el maestro es escuchado por todos los esclavos, pero será contestado sólo por aquel esclavo cuya dirección coincida con la del mensaje. Este método es utilizado por el maestro para transmitir datos a un esclavo, así como para obtenerlos de él.
difusión sin respuesta (broadcast / no response): Estas transacciones tienen dos diferencias básicas con las de consulta / respuesta: tiene como destinatario a todos los esclavos, y éstos no emiten mensaje de respuesta. Este método se utiliza para transmitir un mismo dato a todos los esclavos, en una sola transacción. Un aspecto que debe considerarse es que el maestro no
recibe confirmación alguna acerca de la correcta recepción del mensaje por parte de los esclavos.
Obsérvese que sólo el maestro tiene capacidad de iniciar la transacción, y que los esclavos sólo hablan si este les ha preguntado algo. De esta forma, la relación maestro-esclavo es definitivamente una relación de jerarquía entre ambos equipos, al menos desde el punto de vista de las comunicaciones. Por supuesto desde otros puntos de vista (como el control de procesos), cualquier esclavo podría ser más importante que el maestro. Por razones de seguridad, es frecuente que el esquema maestro-esclavo se implemente utilizando únicamente transacciones consulta / respuesta.
Sucesivamente, el maestro interroga a todos los esclavos de la red, en un mecanismo conocido como encuesta (polling).
Físicamente, todas las estaciones están conectadas a un único medio físico; por ejemplo, un par de cables.
A simple vista, este esquema parece de fácil implementación. Sin embargo, para que funcione es necesario definir varios aspectos de protocolos y normativas. En primer lugar debemos definir cómo se interconectarán las distintas estaciones entre sí. El medio más usual es el uso de cables de cobre, pero también se utilizan fibras ópticas, radiofrecuencias, entre otros. Teniendo en cuenta la complejidad del sistema de de comunicación para los equipos, los clasificaremos en 4 grupos: Aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación. Definición del método utilizado para compartir un único medio físico entre varias estaciones (problema conocido como acceso al medio). Aspectos asociados al correcto envío y recepción de un mensaje. Definición de los comandos que establecen los objetivos de la comunicación.
Las distintas estaciones conectadas al medio físico deberán resolver estos problemas en forma compatible. Caso contrario, no habrá posibilidad de comunicaciones entre ellas.
El conjunto de reglas y convenciones que se utilizan para resolver el problema de comunicaciones se denomina protocolo. Se dice que un protocolo es abierto si el fabricante de un equipo ofrece la especificación de su protocolo en forma gratuita o a un precio razonable; o si existe una norma que defina esta especificación. En caso contrario, se dice que el protocolo es cerrado. En relación a los aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación, la implementación de un esquema maestro-esclavo se basa con frecuencia en las normas RS-232 ó RS-485, que serán descriptas a continuación. Lección 30.1 – Puerto de comunicaciones RS-232 - Parte I
Generalmente la comunicación del un PLC con otros dispositivos de control externos, como el programador de mano, módulos adicionales de proceso, entre otros, se efectúa a través de un puerto de comunicaciones RS-232. Este es un método de comunicación asincrónica que usa el sistema binario (1 y 0) para transmitir los datos en un formato ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Este código traduce el código humano (letras / números) a un código legible por las computadoras (1 y 0). La transmisión y recepción de los datos se hace a través del puerto serial de los PLC. Este puerto trabaja enviando y recibiendo señales de voltaje. Un voltaje positivo se conoce como una MARCA, mientras que un voltaje negativo es un ESPACIO. Típicamente los PLC trabajan con +/- 15 voltios.
Existen 2 tipos de dispositivos RS-232. El primero es llamado DTE (Data Terminal Equipment) y un ejemplo de él es un computador. El segundo tipo de dispositivo es llamado DCE (Data Communications Equipment) y un ejemplo de él es un MODEM (Modulador / Demodulador). Los PLCs pueden ser tanto DTE como DCE. El puerto serial del PLC trabaja poniendo algún pin en ON (ALTO) mientras pone algún otro en OFF (BAJO). Cada uno de estos pines está dedicado a un propósito específico. El puerto serial viene en dos presentaciones: un tipo de 25 pines y otro de 9 pines. Los pines y sus propósitos se muestran a continuación. Esta tabla asume que el equipo es un DTE.
9-PIN
25-PIN
1
1
2
3
PROPÓSITO Tierra de carcasa: Este pin debe ser conectado internamente al chasis del dispositivo. Recepción de datos (RD: Receive data): este pin es por entra los
3
2
4
20
5
7
6
6
7
4
8
5
9
22
datos provenientes de un dispositivo externo. Transmisión de datos (TD: Transmit data): Este pin es por donde salen los datos rumbo a un dispositivo externo. Terminal listo (DTR: data terminal ready): Este pin es el control maestro para el dispositivo externo. Cuando este pin esta en 1 el dispositivo externo ni transmite ni recibe datos. Referencia de la señal: Ya que los datos son enviados como voltajes positivos o como voltajes negativos, este pin sirve como referencia a ambas señales. Equipo OK (DSR: data set ready): Usualmente los dispositivos externos mantienen este pin permanentemente en 0 y el PLC lo usa básicamente para determinar si el dispositivo externo esta encendido y listo. Listo para transmitir (RTS: request to send): este es parte de la sincronización del hardware. Cuando el PLC desea enviar datos a un dispositivo externo, el pone este pin en 0. En otras palabras, el PLC pone este bits en 0 para indicar que “desea enviar datos”, y el
dispositivo externo responde poniendo el pin CLEAR TO SEND a 0 indicando así que “está listo”, entonces , el PLC envía los datos. Listo para recibir (CTS: clear to send): Esta es la otra mitad de la sincronización del hardware. Como se vio anteriormente, el dispositivo externo pone este pin en 0 para indicar que está listo para recibir datos. Indicador de tono (RI: ring indicator): Se usa solamente cuando el PLC está conectado a un modem.
Analicemos ahora que pasaría si tanto el PLC como el dispositivo externo son DTE o si ambos son DCE, seguramente No podrán comunicarse uno con el otro y la explicación es muy sencilla; En la siguiente grafica se muestra el porqué de que los dispositivos del mismo tipo no pueden comunicarse entre sí.
Nótese que la conexión es incorrecta por que en la figura de arriba se observa que la línea de recepción de datos (pin 2) del primer dispositivo está conectada con la línea de recepción de datos del segundo dispositivo. Con la línea de transmisión de datos pasa algo similar excepto que es para la transmisión sobre el pin 3.La
solución a este problema es usar una conexión tipo null-modem como la mostrada a continuación.
La norma RS-232-C es la tercera revisión de la norma original RS-232. Fue propuesta por la Asociación de Industrias Electrónicas (Electronic Industry Association, EIA), e incluida en la recomendación V.24 del Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico (Comité Consultatif Internationale Telégraphique et Téléphonique, CCITT), con unas pocas modificaciones en circuitos que rara vez se usan. Lección 30.1 – Puerto de comunicaciones RS-232 - Parte II
Esta norma define las características mecánicas, eléctricas y funcionales de la interface entre un Equipo Terminal de Datos (Data Terminal Equipment, DTE) y un Equipo de Comunicación de Datos (Data Comunication Equipment, DCE). Un DTE es un terminal al cual accede un usuario. Podría ser también un sistema que se comporta en forma similar, como por ejemplo, una computadora o un PLC. Un DCE es un módem (modulador / demodulador), que codifica la información digital en tonos de audio que puedan ser transmitidos por una línea telefónica. Los bits se transmiten en forma seriada, esto es, se utiliza un conductor para transmitir los bits uno a continuación del otro. Otro conductor es utilizado para recibir datos, y algunos conductores adicionales se utilizan para el control de la transmisión. Desde un punto de vista mecánico, la forma específica un conector de 25 pines o clavijas, conocido como DB25. Los 25 pines están distribuidos en dos filas, la primera de 13 pines numerados del 1 al 13, y la segunda de 12 pines, numerados del 14 al 25. Desde un punto de vista eléctrico, cada uno de estos pines se puede poner en 1 ó 0, según sea su nivel de tensión con referencia al pin 7. Una tensión inferior a -3V indica un 1, mientras que un nivel de tensión superior a + 4V indica un 0. Obsérvese que todos los circuitos comparan sus niveles de tensión con un único común, que es el pin 7. Esta técnica se denomina transmisión asimétrica, en oposición a la transmisión simétrica, que se presentará para el caso de la norma RS-485.
Desde el punto de vista funcional, se definen funciones para cada uno de los circuitos. Mientras el DTE está encendido pone un 1 en el pin 20 (por medio de un nivel de tensión referido al pin 7 inferior a -3V), indicando que la Terminal de Datos está lista (Data Terminal Ready). En forma similar, al ser encendido el DCE pone un 1 en el pin 6 (Módem listo, Data Set Ready). Cuando el módem (DCE) detecta una señal en la línea telefónica, pone un 1 en el pin 8 (Detección de Portadora, Carrier Detect). De esta forma, el DTE se entera que el DCE está recibiendo datos. El pin 4 (Solicitud de Envío, Request to Send) indica que el DTE, quiere enviar datos, mientras que el pin 5 (Libre para Enviar, Clear to Send) indica que el DCE está en condiciones de recibirlos. Los pines 2 y 3 son utilizados para transmitir y recibir datos. La norma específica funciones adicionales para otros pines, que permiten seleccionar la velocidad del módem, verificar su estado, etc. Con frecuencia, muchos de estos circuitos no son necesarios en la práctica. La transmisión de bits se concreta variando los niveles de tensión en el pin 2, de acuerdo a los datos a transmitir. La transmisión de cada bit puede implicar un cambio en el nivel de tensión (de menos de -3V a más de +4V, o viceversa), dependiendo del valor del bit interiormente transmitido. La cantidad máxima de cambios del valor de la señal por segundo está limitada por la tecnología utilizada en la instalación, y se mide en baudios. Se define como baudio a la cantidad de cambios de la señal que pueden ser identificados en un segundo. Así, una velocidad de transmisión de 300 baudios indica una capacidad de identificar 300 cambios por segundo. Otro término utilizado para indicar una velocidad de transmisión es el de bits por segundo (bps). En el caso que hemos presentado, la cantidad de bits por segundo que se puede transmitir coincide con la cantidad de cambios de señal por segundo que la instalación permite, por lo que la velocidad de transmisión se puede expresar indistintamente en baudios o bps (300 baudios = 300 bps). Por lo dicho, la velocidad de transmisión puede expresarse cuantitativamente en baudios o bps. También es usual referirse a la velocidad de la transmisión mediante el término ancho de banda (bandwidth). El ancho de banda refleja la capacidad de una red de transmitir información en un determinado tiempo. Una tecnología de mayor ancho de banda tendrá mayor capacidad de transmitir información. Así, decimos que RS-232 no tiene un ancho de banda suficiente para una determinada aplicación, o que ATM incrementará el ancho de banda de las instalaciones existentes. Es común que dos equipos digitales traten de conectarse por medio de la norma RS- 232. Como ninguno de los dos e un módem, es necesario cruzar algunos de los conductores. De otro modo, ambos intentarán transmitir por el pin 2, sin éxito.
Como resumen, considere este ejemplo donde ambos dispositivos están encendidos y el PLC es un DTE, mientras que otro dispositivo externo es un DCE. El dispositivo externo activa su pin DSR lo cual dice al PLC que está ahí y que está encendido. El PLC activa su pin RTS lo cual es igual que preguntar al dispositivo externo “Estas listo para recibir algunos datos”. El dispositivo externo responde activando su pin CTS con lo cual dice que esta OK que el PLC envíe datos. El PLC envía datos usando su pin TD terminal y el dispositivo externo la recibe por su pin RD. Algunos datos son enviados y recibidos. Después de un tiempo, El dispositivo externo no puede procesar los datos tan rápidamente, y por eso pone a 0 su pin CTS y el PLC congela el envío de datos. El dispositivo externo se pone al corriente y entonces pone nuevamente a 1 su pin CTS. El PLC reanuda el envío de datos a trabes del terminal TD terminal y el dispositivo externo los recibe a trabes de su terminal RD. El PLC se le acaba los datos por enviar y entonces pone a cero su pin RTS. El dispositivo externo para de recibir y entonces aguarda por más datos futuros. Lección 30.2 – Comunicación Comunicación RS-232 desde el software
ASCII es un código de traducción de lo entendible por humanos a lo entendible por computadoras (cada letra o número es convertido en unos “1” y ceros “0”). Su código de 7 bits permite codificar 128 caracteres (27 = 128). La tabla siguiente muestra la representación ASCII hexadecimal de los 128 símbolos o caracteres. Por ejemplo, en la tabla se ve que el "0" se codifica como 30h, el "5" como 35h, la letra "E" como 45h, así sucesivamente:
Bit de inicio: En el RS-232 lo primero que se envía es llamado bit de inicio. Este bit de inicio (“inventado durante la 1era guerra mundial por Kleinschmidt)
es un bit de sincronización adicionada justamente antes de enviar cada carácter. Este es considerado un ESPACIO, un voltaje negativo o un “0”.
Bit de parada: Es el último bit que se envía después de cada carácter (fin de carácter). Es considerado como una MARCA, Voltaje positivo o uno “1”.
Bit de paridad: Ya que muchos PLC y dispositivos externos están orientados al byte (8 bits = 1byte), parece mejor manejar los datos como un byte. Aunque ASCII es un código de 7 bits no es común transmitirlo de esa manera. Típicamente se usa un octavo bit de paridad para el chequeo de errores. Este método de chequeo de errores recibe su nombre de la idea matemática de la paridad. En términos simples, todos los caracteres tendrán una cantidad par de
unos “1”, o una cantidad impar de unos “1”. De aquí que las formas comunes de
paridad sean: Par, Impar y ninguna. Considere este ejemplo: Enviar el carácter "E" (45h en Hexadecimal o 1000101b en Binario) Entonces: Paridad Ninguna: Como el bit de paridad es siempre 0, entonces se envía 10001010. Paridad
par: Se debe tener una cantidad par de unos “1”. Como en el carácter original tienen tres (3) unos “1” (1000101) entonces el bit de paridad a adicionar debe ser uno “1” (1000101 1). Ahora lo enviado si tiene una cantidad par de unos “1”. Paridad impar: Se debe tener una cantidad impar de unos “1”. Como el carácter original tiene tres (3) unos “1” (1000101), ósea una cantidad impar,
entonces el bit de paridad a adicionar debe ser 0 (1000101 0). Durante la comunicación el dispositivo que transmite calcula el bit de paridad y lo envía. Por su parte el receptor calcula también la paridad para el carácter de 7 bits y la compara con el bit de paridad recibido. Si los bits calculado y recibido no son iguales, ha ocurrido un error y entonces se ejecuta la rutina apropiada en este caso. El método de chequeo de paridad no es muy popular. Esto se debe a que el mismo es efectivo sólo la mitad de las veces, ya que el chequeo de la paridad puede sólo detectar errores que afectan una cantidad impar de bits. Si el error afecto a 2, 4 o 6 bits el método es inútil. Típicamente los errores son causados por el ruido que viene en ráfagas y que difícilmente afecta a un solo bit. De aquí que sea más popular usar el método de chequeo mediante bloque redundante.
Rata de Baudios: Se refiere a la cantidad de bits por segundos (bps) que son transmitidos. Valores comunes son 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, y 38400 bps. Formato de datos RS-232: (Rata de baudios-bits de datos-paridad-bits de parada) Esta es la manera como típicamente se especifica el formato de los datos. Por ejemplo: 9600-8-N-1 significa una rata de baudios igual a 9600 bps, 8 bits de datos, sin paridad, y un bit de parada.
La siguiente figura muestra el tren de bits correspondiente al carácter “E” (45h=100 0101b) con paridad “par”, que salen como datos por el puerto serial.
Otra importante característica que algunas veces es usada para la sincronización entre dispositivos es el “control de flujo”, el cual se usa para asegurar que ambos dispositivos estén listos para enviar / recibir datos. El más popular “control de flujo de caracteres” se conoce como XON/XOFF. Simplemente cuando el receptor
desea que el transmisor haga una pausa, él envía el carácter XOFF. Cuando el receptor desea recibir datos otra vez, él envía al transmisor el carácter XON. Una última característica son los “delimitadores”, los cuales se agregan al final del
mensaje para indicar al receptor que procese los datos que él ha recibido. El más popular es el CR (carriage return) o el par CR y LF (line feed). Cuando el PLC u otro dispositivo externo reciben estos delimitadores, sabe que tiene que tomar los datos del buffer que ya están listos. El buffer es la memoria donde se guardan temporalmente los datos que se están recibiendo. Para la transmisión / recepción a veces se usa igualmente el par STX(start of text) y ETX(end of text). El STX es enviado antes de los datos e indica al dispositivo externo que los datos vienen a continuación. Después que todos los datos han sido enviados, un carácter ETX es enviado. Finalmente, poco menos usual, pero también se usa un par ACK/NAK (acknowledge). Esencialmente, el transmisor envía sus datos y el receptor debe enviar como respuesta un carácter ACK para indicar que recibió sin errores, o un carácter NAK si la recepción tuvo errores. En el último caso el transmisor debe reenviar los datos. Lección 30.3 – Introducción al Protocolo FieldBus
El FieldBus está basado en el estándar eléctrico RS485, el cual define los parámetros de la estructura de un bus serie de alta velocidad. Debe hacerse una diferenciación entre los elementos que forman la estructura del bus interna del controlador y el sistema de Field Bus. Las I/O's estándar están conectadas de forma muy cercana, tanto eléctrica como físicamente a la estructura de bus paralela interna del controlador.
Mientras que esta estructura provee accesos de alta velocidad, su naturaleza pone límites al hardware en cuanto al número de I/O únicas direccionables posibles. El concepto de FieldBus utiliza el antes mencionado bus serie para unir una estación Maestra (Master) y Múltiples estaciones esclavas a velocidades de transmisión hasta 375,000 bits por segundo. Ya que estas estaciones pueden localizarse en relativamente largas distancias (300-1200 metros), éstas son a menudo genéricamente referidas como "I/O Remotas". Las altas velocidades de transmisión, cuando se combinan con el ahorro en costos al usar un par de cables trenzados para la conexión del bus, hace que el concepto de Field Bus se vuelva realmente atractivo. lnputs y Outputs localizadas en las estaciones esclavas del Field Bus pueden ser interrogadas y controladas por la estación Field Bus Master. El lenguaje STL permite acceder a estas I/O's usando las mismas instrucciones SET y RESET que usan las I/O estándar ubicadas físicamente en el controlador. Lección 30.4 – Introducción al Protocolo 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 PLC. Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar en la industria, goza de buena 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.
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.
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estándar oficial. Algunas de las variaciones más habituales son:
Tipos de Datos - Coma Flotante IEEE - Entero 32 bits - Datos 8 bits
- Tipos de datos mixtos - Campos de bits en enteros - Multiplicadores para cambio de datos a/de entero. 10, 100, 1000, 256… Extensiones del Protocolo - Direcciones de esclavo de 16 bits - Tamaño de datos de 32 bits (1 dirección = 32 bits de datos devueltos.).
Lección 30.5 – Como utilizar el PLC Siemens S7-200 con el protocolo Modbus - Parte I
Las librerías de operaciones de STEP 7-Micro/WIN facilitan la comunicación con los maestros y esclavos Modbus, incluyendo subrutinas y rutinas de interrupciones pre-configuradas y diseñadas especialmente para la comunicación Modbus. Las operaciones de esclavos Modbus permiten configurar el S7-200 para que actúe de esclavo Modbus RTU y se comunique con maestros Modbus. Las operaciones de maestros Modbus permiten configurar el S7-200 para que actúe de maestro Modbus RTU y se comunique con uno o varios esclavos Modbus. Las operaciones Modbus se instalan en la carpeta Librerías del árbol de operaciones de STEP7-Micro/WIN. Estas operaciones permiten que el S7-200 actúe de dispositivo Modbus. Cuando se dispone una operación Modbus en el programa, se agregan automáticamente al proyecto una o más subrutinas asociadas. Existen dos versiones de la librería del protocolo de maestros Modbus. Una de ellas utiliza el puerto 0 de la CPU y, la otra, el puerto 1. Los nombres de las UOPs de la librería del puerto 1 se complementan con _P1 (p. ej. MBUS_CTRL_P1) para indicar que la UOP utiliza el puerto 1 de la CPU. Las dos librerías para maestros Modbus son idénticas en todos los demás aspectos. La librería para esclavos Modbus sólo soporta la comunicación por el puerto 0. Las operaciones del protocolo de maestros Modbus utilizan los siguientes recursos del S7-200: La inicialización del protocolo de esclavos Modbus utiliza el puerto de comunicación de la CPU específico para dicho protocolo. Si el puerto de la CPU se está utilizando para la comunicación vía el protocolo de maestros Modbus, no se podrá usar para ninguna otra función, incluyendo la comunicación con STEP7-Micro/WIN. La operación MBUS_ CTRL asigna el puerto 0 al protocolo de maestros Modbus, o bien al protocolo PPI. La operación MBUS_ CTRL_P1 asigna el puerto 1 (de la librería del puerto 1) al protocolo de maestros Modbus, o bien al protocolo PPI.
Las operaciones del protocolo de esclavos Modbus afectan a todas las direcciones de marcas especiales (SM) asociadas a la comunicación Freeport por el puerto utilizado. Las operaciones del protocolo de maestros Modbus utilizan 3 subrutinas y 1 rutina de interrupción. Las operaciones del protocolo de maestros Modbus necesitan 1620 bytes de espacio en el programa para las dos operaciones Modbus y las rutinas de soporte. Las variables de las operaciones del protocolo de maestros Modbus necesitan un bloque de 284 bytes de la memoria V. El usuario asigna la dirección inicial de este bloque, que se reserva para las variables Modbus. La librería del protocolo de maestros Modbus utiliza interrupciones de usuario para algunas funciones. El programa de usuario no debe inhibir las interrupciones de usuario.
Las operaciones del protocolo de esclavos Modbus utilizan los siguientes recursos del S7-200: La inicialización del protocolo para esclavos Modbus utiliza el puerto 0 para la comunicación Modbus. Si el puerto 0 se está utilizando para la comunicación vía el protocolo de esclavos Modbus, no se podrá usar para ninguna otra función, incluyendo la comunicación con STEP 7-Micro/WIN. La operación MBUS_INIT asigna el puerto 0 al protocolo para esclavos Modbus, o bien al protocolo PPI. Las operaciones del protocolo para esclavos Modbus afectan a todas las direcciones de marcas especiales (SM) asociadas a la comunicación Freeport por el puerto 0. Las operaciones del protocolo para esclavos Modbus utilizan 3 subrutinas y 2 rutinas de interrupción. Las operaciones del protocolo para esclavos Modbus necesitan 1857 bytes de espacio en el programa para las dos operaciones Modbus y las rutinas de soporte. Las variables de las operaciones del protocolo de esclavos Modbus necesitan un bloque de 779 bytes de la memoria V. El usuario asigna la dirección inicial de este bloque, que se reserva para las variables Modbus.
Lección 30.5 – Como utilizar el PLC Siemens S7-200 con el protocolo Modbus - Parte II
Protocolo de maestros Modbus: El protocolo de maestros Modbus requiere poco tiempo en cada ciclo para ejecutar la operación MBUS_CTRL. En el primer ciclo, cuando la operación MBUS_CTRL está inicializando el maestro Modbus, se necesitan aproximadamente 1,11 milisegundos y, en los ciclos posteriores, unos 0,41 milisegundos. El tiempo de ciclo se prolonga cuando la subrutina MBUS_ MSB está procesando una petición. La mayor parte del tiempo se dedica a calcular la CRC Modbus de la petición y de la respuesta. La CRC (comprobación de redundancia cíclica)
garantiza la integridad de los mensajes de comunicación. El tiempo de ciclo se prolonga unos 1,85 milisegundos por cada palabra de la petición y de la respuesta. Una petición/respuesta máxima (lectura o escritura de 120 palabras) prolonga el tiempo de ciclo en aproximadamente 222 milisegundos. Una petición de lectura prolonga el ciclo sobre todo cuando se recibe la respuesta del esclavo y, en menor medida, cuando se envía la petición. Una petición de escritura prolonga el ciclo sobre todo cuando se envían los datos al esclavo y, en menor medida, cuando se recibe la respuesta.
Protocolo de esclavos Modbus: La comunicación Modbus utiliza una CRC (comprobación de redundancia cíclica) para garantizar la integridad de los mensajes de comunicación. El protocolo de esclavos Modbus usa una tabla de valores pre-calculados (tabla CRC), con objeto de decrementar el tiempo necesario para procesar los mensajes. La inicialización de la tabla CRC tarda aproximadamente 240 milisegundos, efectuándose en la subrutina MBUS_INIT. Por lo general, ello sucede en el primer ciclo del programa de usuario tras pasar el a modo RUN. El usuario debe borrar el temporizador de vigilancia y mantener las salidas habilitadas (si lo exigen los módulos de ampliación), en caso de que el tiempo necesario para la subrutina MBUS_INIT y otras inicializaciones exceda los 500 milisegundos de vigilancia del ciclo. El temporizador de vigilancia del módulo de salidas se borra escribiendo en las salidas del módulo. El tiempo de ciclo se prolonga cuando la subrutina MBUS_SLAVE procesa una petición. Puesto que la mayor parte del tiempo se dedica a calcular la CRC, el tiempo de ciclo se prolonga unos 420 microsegundos por cada byte de la petición y de la respuesta. Una petición/respuesta máxima (lectura o escritura de 120 palabras) prolonga el tiempo de ciclo en aproximadamente 100 milisegundos.
Direccionamiento Modbus: Por lo general, las direcciones Modbus se escriben como valores de 5 caracteres, conteniendo el tipo de datos y el offset. El primer carácter determina el tipo de datos, en tanto que los últimos cuatro caracteres seleccionan el valor apropiado dentro del tipo de datos en cuestión. Direccionamiento de maestros Modbus: Las operaciones de maestros Modbus asignan luego las direcciones a las funciones correctas para enviarlas al esclavo. Las operaciones de maestros Modbus soportan las direcciones Modbus siguientes: 00001 hasta 09999 para las salidas digitales (bobinas) 10001 hasta 19999 para las entradas digitales (contactos) 30001 hasta 39999 para los registros de entradas (por lo general, entradas analógicas) 40001 hasta 49999 para los registros de retención
Todas las direcciones Modbus se basan en “1”. Ello significa que el primer valor de datos comienza en la dirección “1”. El rango de direcciones válidas depende del
esclavo utilizado. Los distintos esclavos soportan diferentes tipos de datos y rangos de direcciones.
Direccionamiento de esclavos Modbus: El maestro Modbus asigna luego las direcciones de manera que correspondan a las funciones correctas. Las operaciones de esclavos Modbus soportan las direcciones siguientes: 00001 hasta 00128 son salidas digitales asignadas asignada s a Q0.0 hasta Q15.7 10001 hasta 10128 son entradas digitales asignadas a I0.0 hasta I15.7 30001 hasta 30032 son registros de entradas analógicas asignados a AIW0 hasta AIW62 40001 hasta 4xxxx son registros de retención asignados a la memoria V.
Todas las direcciones Modbus se basan en “1”. La siguiente tabla muestra la
asignación de las direcciones Modbus a las direcciones del S7-200.
El protocolo para esclavos Modbus permite limitar la cantidad de entradas, salidas, entradas analógicas y registros de retención (memoria V) accesibles a un maestro Modbus.
El parámetro MaxIQ de la operación MBUS_INIT indica la cantidad máxima de entradas o salidas digitales (I o Q) a las que puede acceder el maestro Modbus. El parámetro MaxAI de la operación MBUS_INIT indica la cantidad máxima de registros de entradas analógicas (AIW) a los que puede acceder el maestro Modbus. El parámetro MaxHold de la operación MBUS_INIT indica la cantidad máxima de registros de retención (palabras de la memoria V) a los que puede acceder el maestro Modbus. Lección 30.5 – Como Como utilizar el PLC Siemens S7-200 con el protocolo Modbus - Parte III
Configurar la tabla de símbolos: Una vez que el usuario haya introducido la dirección del primer símbolo, la tabla calculará y asignará automáticamente los demás símbolos contenidos en la misma. Asigne una dirección inicial de la memoria V a la tabla que ocupa 779 bytes. Vigile que la asignación de los símbolos de los esclavos Modbus no se solape con la memoria V asignada a los registros de retención Modbus que contienen los parámetros HoldStart y MaxHold de la operación MBUS_INIT. Si se solapan las áreas de memoria, la operación MBUS_INIT devolverá un error.
Utilizar las operaciones de maestros Modbus: Para utilizar las operaciones de maestros Modbus en el programa del S7--200, proceda del siguiente modo: 1) Inserte la operación MBUS_ CTRL en el programa y ejecute dicha operación en cada ciclo. Esta operación se puede utilizar bien sea para iniciar, o bien para modificar los parámetros de comunicación Modbus. Cuando inserte la operación MBUS_CTRL, varias subrutinas y rutinas de interrupción ocultas se agregarán automáticamente al programa. 2) Utilice el comando Asignar memoria a librería con objeto de asignar una dirección inicial para la memoria V necesaria para ejecutar las operaciones de maestros Modbus. 3) Disponga en el programa una o más operaciones MBUS_ MSG. Puede agregar un número cualquiera de operaciones MBUS_MSG al programa. No obstante, sólo una de éstas podrá estar activada a la vez. 4) Conecte un cable de comunicación entre el puerto 0 de la CPU S7-200 (o el puerto 1 si utiliza la librería del puerto 1) y los esclavos Modbus. Las operaciones de maestros Modbus utilizan las funciones Modbus indicadas abajo para leer o escribir una dirección Modbus específica. El esclavo Modbus debe soportar la(s) funcion(es) Modbus indicadas abajo para leer o escribir una dirección Modbus en particular.
Utilizar las operaciones de esclavos Modbus: Para utilizar las operaciones de esclavos Modbus en el programa del S7--200, proceda del siguiente modo: 1) Inserte la operación MBUS_INIT en el programa y ejecútela operación sólo durante un ciclo. Esta operación se puede utilizar bien sea para iniciar, o bien para modificar los parámetros de comunicación Modbus. Cuando inserte la operación MBUS_INIT, varias subrutinas y rutinas de interrupción ocultas se agregarán automáticamente al programa. 2) Utilice el comando Asignar memoria a librería con objeto de asignar una dirección inicial para la memoria V necesaria para ejecutar las operaciones de esclavos Modbus. 3) Disponga en el programa sólo una operación MBUS_SLAVE. Esta operación se invoca en cada ciclo para procesar las peticiones que se hayan recibido. 4) Utilizando el cable de comunicación, conecte el puerto 0 del S7-200 al maestro Modbus. Las operaciones de esclavos Modbus utilizan los acumuladores (AC0, AC1, AC2, AC3). Éstos aparecen en la lista de referencias cruzadas. Antes de ejecutar una operación para esclavos Modbus, los valores de los acumuladores se guardan y se restablecen en los acumuladores antes de que finalice la operación. Así se conservan todos los datos de usuario contenidos en los acumuladores mientras se ejecuta la operación. Las operaciones del protocolo de esclavos Modbus asisten el protocolo Modbus RTU. Estas operaciones utilizan las funciones Freeport del para soportar las funciones Modbus más habituales. Se asisten las funciones Modbus siguientes:
Lección 30.5 – Como Como utilizar el PLC Siemens S7-200 con el protocolo Modbus - Parte IV
MBUS_INIT (Inicializar esclavo): La operación MBUS_INIT sirve para activar e inicializar, o bien para desactivar la comunicación Modbus. MBUS_INIT se debe ejecutar sin errores antes de poder utilizar la operación MBUS_SLAVE. La operación se finaliza y el bit “Done” se pone a 1 inmediatame nte, antes de continuar con la siguiente operación.
La operación se ejecuta en cada ciclo cuando está activada la entrada EN. Ejecute la operación MBUS_INIT sólo una vez por cada cambio de estado de la comunicación. Por tanto, la entrada EN debe permanecer activada al detectarse un flanco positivo, o bien ejecutarse sólo en el primer ciclo. El valor de la entrada Mode selecciona el protocolo de comunicación. Si la entrada tiene el valor “1”, el puerto 0 se asignará al protocolo Modbus y se habilitará el protocolo. Si la entrada tiene el valor “0”, el puerto 0 se asignará a PPI y se inhibirá
el protocolo Modbus. El parámetro Baud ajusta la velocidad de transferencia a 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 ó 115200 bit/s. Las CPUs S7-200 (versión 1.2 o posterior) soportan velocidades de transferencia comprendidas entre 57600 y 115200 bit/s. El parámetro Addr ajusta la dirección a valores comprendidos entre 1 y 247.
El parámetro Parity se ajusta de manera que concuerde con la paridad del maestro Modbus. Todos los ajustes utilizan un bit de parada. Los valores permitidos son: 0 sin paridad 1 paridad impar 2 paridad par El parámetro Delay retarda el timeout de fin de mensaje Modbus estándar, sumando el número indicado de milisegundos al timeout de mensajes Modbus estándar. En redes cableadas, el valor típico de este parámetro debería ser “0”. Si
se utilizan módems sin corrección de errores, ajuste el retardo a un valor comprendido entre 50 y 100 milisegundos. Si se utilizan radios de espectro ensanchado, ajuste el retardo a un valor comprendido entre 10 y 100 milisegundos. El valor de Delay (retardo) puede estar comprendido entre 0 y 32767 milisegundos.
El parámetro MaxIQ ajusta el número de entradas (I) y salidas (Q) disponibles para las direcciones Modbus 0xxxx y 1xxxx a valores comprendidos entre 0 y 128. Un valor de ”0” inhibe todas las lecturas y escrituras de las entradas y salidas. Es
recomendable ajustar el valor de MaxIQ a 128, con objeto de poder acceder a todas las entradas y salidas del S7-200. El parámetro MaxAI ajusta el número de registros de entradas analógicas (AI) disponibles para la dirección Modbus 3xxxx a valores comprendidos entre 0 y 32. Un valor de “0” inhibe la lectura de las entradas analógicas. Para poder acceder a todas las entradas analógicas del S7-200, es recomendable ajustar el valor de MaxAI de la manera siguiente: 0 para la CPU 221 16 para la CPU 222 32 para las CPUs 224, 224XP y 226 El parámetro MaxHold ajusta el número de registros de retención en la memoria V disponibles para la dirección Modbus 4xxxx. Por ejemplo, para que el maestro pueda acceder a 2000 bytes de la memoria V, ajuste el valor de MaxHold a 1000 palabras (registros de retención). El parámetro HoldStart es la dirección inicial de los registros de retención en la memoria V. Por lo general, este valor se ajusta a VB0, de manera que el parámetro HoldStart se ajuste a &VB0 (dirección de VB0). Como dirección inicial de los registros de retención en la memoria V se puede indicar también una dirección diferente, con objeto de poder utilizar VB0 en otra parte del proyecto. El maestro Modbus tiene acceso al número MaxHold de palabras de la memoria V, comenzando en HoldStart. La salida Done se activa una vez finalizada la operación MBUS_INIT. El byte de salida Error contiene el resultado de ejecución de la operación. En la tabla que se muestra a continuación del comando MBUS_SLAVE, figuran los errores que pueden ocurrir al ejecutar la operación.
MBUS_SLAVE: La operación MBUS_SLAVE se utiliza para procesar una petición del maestro Modbus, debiéndose ejecutar en cada ciclo para poder comprobar y responder a las peticiones Modbus.
La operación se ejecuta en cada ciclo cuando está activada la entrada EN. MBUS_SLAVE no tiene parámetros de entrada. La salida Done se activa cuando la operación MBUS_SLAVE responde a una petición Modbus y se desactiva si no se ha procesado ninguna petición. La salida Error contiene el resultado de ejecución de la operación. Esta salida sólo será válida si está activada la salida Done. Si Done está desactivada, no cambiará el parámetro de error. En las tablas figuran los errores que pueden ocurrir al ejecutar la operación.
Lección 30.5 – Como utilizar el PLC Siemens S7-200 con el protocolo Modbus - Parte V
MBUS_INIT (Inicializar maestro): La operación MBUS_CTRL para el puerto 0 del S7-200 (o MBUS_CTRL_P1 para el puerto 1) sirve para inicializar, vigilar o desactivar la comunicación Modbus. MBUS_CTRL se debe ejecutar sin errores antes de poder utilizar la operación MBUS_MSG. La operación se finaliza y el bit Done se pone a 1 inmediatamente, antes de continuar con la siguiente operación. Esta operación se ejecuta en cada ciclo cuando está activada la entrada EN.
La operación MBUS_CTRL se debe llamar en cada ciclo (incluyendo el primero) para que ésta pueda vigilar el progreso de los mensajes pendientes iniciados por la operación MBUS_MSG. El protocolo de maestros Modbus no funcionará correctamente si no se llama a la operación MBUS_CTRL en cada ciclo. El valor de la entrada Mode selecciona el protocolo de comunicación. Un valor de entrada “1” asigna el puerto de la CPU al protocolo Modbus y habilita éste último. Un valor de entrada “0” asigna el puerto de la CPU al protocolo PPI
e inhibe el protocolo Modbus. El parámetro Parity se ajusta de manera que concuerde con la paridad del esclavo Modbus. Todos los ajustes utilizan un bit de arranque y un bit de parada. Los valores permitidos son: 0 sin paridad 1 paridad impar 2 paridad par
El parámetro Timeout se ajusta al número de milisegundos que se debe esperar hasta recibir la respuesta del esclavo. El valor de Timeout puede estar comprendido entre 1 y 32767 milisegundos. Un valor típico podría ser 1000 milisegundos (1 segundo). El parámetro Timeout se debería ajustar a un valor lo suficientemente elevado para que el esclavo tenga tiempo de responder a la velocidad de transferencia seleccionada. El parámetro Timeout se utiliza para determinar si el esclavo Modbus está respondiendo a una petición. Este parámetro determina cuánto tiempo debe esperar el maestro Modbus hasta recibir el primer carácter de la respuesta tras haber enviado el último carácter de la petición. El maestro Modbus recibe la respuesta completa del esclavo Modbus si se ha recibido por lo menos un carácter de la respuesta dentro del tiempo indicado en el parámetro Timeout. La salida Done se activa una vez finalizada la operación MBUS_CTRL. La salida Error contiene el resultado de ejecución de la operación. En la siguiente tabla se muestran los errores que pueden ocurrir al ejecutar la operación MBUS_CTRL.
MBUS_MSG: La operación MBUS_MSG (o MBUS_MSG_P1 para el puerto 1) sirve para iniciar una petición a un esclavo Modbus y procesar la respuesta. La operación MBUS_MSG inicia una petición a un esclavo Modbus si están activadas las entradas EN y First. Para enviar la petición, esperar a la respuesta y procesar ésta última se requieren generalmente varios ciclos. La entrada EN debe estar puesta a “1” para poder enviar una petición, debiendo permanecer activada hasta
que se active el bit Done. Nota: Sólo puede estar activada una operación: MBUS_MSG a la vez. Si hay más de una operación MBUS_MSG activada, se procesará la primera MBUS_MSG ejecutada y todas las demás operaciones MBUS_MSG se cancelarán con el código de error 6. El parámetro First debería estar activado durante sólo un ciclo si hay una nueva petición que se deba enviar. La entrada First se debe activar cuando se detecte un flanco positivo, haciendo que la petición se transmita una vez. El parámetro Slave es la dirección del esclavo Modbus. El rango permitido está comprendido entre 0 y 247. La dirección 0 se usa como dirección de broadcast (difusión general), pudiendo utilizarse sólo para peticiones de escritura. No hay respuesta a una petición de broadcast a la dirección 0. No todos los esclavos
soportan la dirección de broadcast. La librería de esclavos Modbus S7-200 no soporta la dirección de broadcast.
El parámetro RW indica si el mensaje es una petición de lectura o de escritura. Los valores permitidos para RW son: 0 – Lectura 1 – Escritura
Las salidas digitales (bobinas) y los registros de retención soportan peticiones tanto de lectura como de escritura. Las entradas digitales (contactos) y los registros de entradas sólo soportan peticiones de lectura. El parámetro Addr es la dirección Modbus inicial. Los rangos de valores permitidos son: 00001 a 09999 para las salidas digitales (bobinas) 10001 a 19999 para las entradas digitales (contactos) 30001 a 39999 para los registros de entradas 40001 a 49999 para los registros de retención
El rango específico de los valores permitidos para Addr se basa en las direcciones que soporta el esclavo Modbus en cuestión. El parámetro Count indica el número de elementos de datos que se deben leer o escribir en esta petición. Count representa el número de bits en los tipos de datos de bits, o bien el número de palabras en los tipos de datos de palabras. Dirección 0xxxx - Count es el número de bits a leer o escribir Dirección 1xxxx - Count es el número de bits a leer Dirección 3xxxx - Count es el número de palabras del registro de entradas a leer Dirección 4xxxx - Count es el número de palabras del registro de retención a leer o escribir
La operación MBUS_MSG puede leer o escribir como máximo 120 palabras o 1920 bits (240 bytes de datos). El límite real del valor de Count depende de los límites del esclavo Modbus. El parámetro DataPtr es un puntero de direccionamiento indirecto que señala a los datos asociados con la petición de lectura o escritura en la memoria V de la CPU S7-200. En una petición de lectura, DataPtr debería señalar a la primera dirección de la CPU utilizada para almacenar los datos leídos del esclavo Modbus. En una petición de escritura, DataPtr debería señalar a la primera dirección de la CPU utilizada para los datos que se deben enviar al esclavo Modbus. El valor DataPtr se transfiere a MBUS_MSG como puntero de direccionamiento indirecto. Por ejemplo, si los datos a escribir en un esclavo Modbus comienzan en la dirección VW200 en la CPU S7-200, el valor de DataPtr será &VB200 (dirección de VB200). Los punteros deben ser siempre del tipo VB aunque señalen a datos en formato de palabra.
Los registros de retención (dirección 4xxxx) y los registros de entradas (dirección 3xxxx) son valores de palabras (2 bytes o 16 bits). Las palabras de la CPU S7-200 se formatean de la misma manera que los registros Modbus. La dirección más baja de la memoria V es el byte más signficativo del registro. La dirección más alta de la memoria V es el byte menos signficativo del registro. La tabla siguiente muestra cómo corresponden las direcciones de byte y de palabra del S7-200 con el formato del registro Modbus.
Las áreas de datos de bits (direcciones 0xxxx y 1xxxx) se leen y se escriben como bytes empaquetados. Ello significa que en cada byte de datos se empaquetan 8 bits. El bit menos significativo del primer byte de datos es el número de bit direccionado (el parámetro Addr). Si se escribe un solo bit, éste se deberá encontrar en el bit menos significativo del byte al que señala DataPtr. La siguiente grafica muestra el formato de los bytes empaquetados (se muestran las direcciones de las entradas digitales):
En el caso de las direcciones de bits que no comiencen en un límite de byte par, el bit correspondiente a la dirección inicial deberá encontrarse en el bit menos significativo del byte. Más abajo se indica un ejemplo del formato de bytes empaquetados para 3 bits comenzando en la dirección Modbus 10004. La siguiente grafica muestra el formato de los bytes empaquetados (entrada digital comenzando en la dirección 10004)
Al escribir en las salidas digitales (bobinas), el usuario debe disponer los bits en las posiciones correctas del byte empaquetado antes de que los datos sean transferidos a la operación MBUS_MSG vía DataPtr. La salida Done está desactivada mientras se está enviando una petición y cuando se está recibiendo una respuesta. La salida Done está activada al finalizarse la respuesta, o bien si la operación MBUS_MSG se ha cancelado debido a un error. La salida Error sólo será válida cuando esté activada la salida Done. En el tema de la Ayuda Errores de ejecución de la operación MBUS_MSG del maestro Modbus se indican los errores que devuelve la operación MBUS_MSG. Los códigos de error con números bajos (1 a 8) son errores que detecta la operación MBUS_MSG. Por lo general, estos códigos de error indican un problema en los parámetros de entrada de la operación MBUS_MSG, o bien en la recepción de la respuesta del esclavo. Los errores de paridad y CRC indican que hay una respuesta, pero que los datos no se han recibido correctamente. Ello se debe normalmente a un problema eléctrico, por ejemplo una conexión defectuosa o ruidos eléctricos. Los códigos de error con números altos (comenzando en 101) son errores que devuelve el esclavo Modbus. Estos errores indican que el esclavo no soporta la función requerida, o bien la dirección solicitada (un tipo de datos o un rango de direcciones). Lección 30.5 – Como utilizar el PLC Siemens S7-200 con el protocolo Modbus - Parte VI
Lección 30.6 – Ejemplo como utilizar el PLC Siemens S7-200 con el protocolo Modbus
Programa de ejemplo: Este programa de ejemplo muestra cómo utilizar las operaciones del maestro Modbus para escribir en y leer de un esclavo Modbus 4 registros de retención cada vez que se activa la entrada I0.0. La CPU S7-200 escribe en el esclavo Modbus 4 palabras comenzando en VW100. Los datos se escriben en 4 registros de retención en el esclavo, comenzando en la
dirección 40001. La CPU S7--200 lee luego 4 registros de retención del esclavo Modbus. Los datos provienen de los registros de retención 40010 – 40013 y se depositan en la memoria V de la CPU S7-200 comenzando en VW200.
Referencias bibliográficas
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Reference: RCPU224. Version 2. URBACO S.A, Junio de 2006.
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