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S E R IE : M U Ñ I A _____ ELECTR O NICO Eugenio Rey, Coordinador
AUTÓMATAS PROGRAMABLES Josep Balcells José Luis Romeral
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ÍNDICE PARTI’. I: AUTOMATIZACIÓN: CONCEPTOS GENERALES 1. Introducción al control industrial . . ........................ . . 1.1. Introducción . . ......... ..................................................................... 1.2. Sistemas de control ....................................................... 1.3. Automatismos analógicos y digitales............................ 1.4. Componentes y modelos.............. 1.5. Automatismos cableados y programables ............ 1.6. El autómata programable ............ 1.7. Control por ordenador................ . 1.8. Resumen ...................................... 1.9. Referencias ..........................
3 3 4 4 5 6 7 8 9 9
2. Diseño de automatismos lógicos...................................... 2.1. Introducción............................................. 2.2. Modelos y funciones de transferencia ....................................... 2.3. Automatismos combinaeionales y secuenciales .............................. 2.4. Diseño de automatismos combinaeionales....................................... 2.5. Diseño de automatismos secuenciales............................................. 2.6. G R A F C E T : Resumen histórico ..................................................... 2.7. Diseño basado en G R A F C E T ............. 2.8. G R A F C E T : Elementos de base y reglas de evolución ........... . 2.9. G R A F C E T : Ejemplo de diseño .......... 2.10. Macroetapas y representación en detalle . ..................................... 2.11. Estructuras básicas del G R A F C E T .................................................. 2.11.1. Secuencia lin e a l................. 2.11.2. Divergencia y convergencia en «O» ................................. 2.11.3. Divergencia y convergencia en «Y» .................. 2.12. Diagramas de (lujo y diagramas G R A F C F.T . . . ...................... 2.13. Etapas iniciales, preposicionamiento y alarm as.............................. 2.14. Puestas en marcha y paradas: G E M M A ......................................... . .. 2.14.1. Elementos de base ............................ 2.14.2. Estados de funcionamiento . . ...................................... 2.14.3. Estados de paro .......................................................... 2.14.4. Estados de f a llo ................................................... 2.15. Método general de diseño basado en G E M M A ............................. 2.15.1. Coordinación horizontal ..................................... 2.15.2. Coordinación piramidal o jerarquizada ............................ 2.16. Paros de emergencia ............................................. 2.17. Ejemplo de d is e ñ o ............................ 2.17.1. Fases A y B de diseño ................. . . . . . . . ....... 2.17.2. Fase C de diseño .............. 2.17.3. Fase D de diseño .................................................. 2.18. Resumen ................................................................................. 2.19. Referencias . . ........................................................................... ... -,
10 10 II 13 16 17 18 19 20 23 25 26 27 27 29 30 32 33 33 33 35 35 35 36 36 36 37 37 38 38 40 40
3. Diseño 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.
41 41 41 42 43 44 46 47
de automatismos con señales analógicas ............................................. Introducción ........................................................... Modelo de sistemas analógicos: Diagramas de bloques .................. Función de transferencia ( F D T ) ....................................................... Paso de la ecuación diferencial a la F D T ............................... Respuesta temporal Operaciones básicas con bloques ..................... .. . . Bloques de primer y de segundo orden ...........................
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AUTÓM ATAS PRO O ltAM ABLKS --------------3.8.
3.9. 3.10.
. 3.12.
3.13. 3.14.
Representación gráilca de la F D T .................................................. 3.8.1. Gráficos de B o d e ..................................................... 3.8.2. F D T de primer orden ........................................ 3.8.3. F D T de segundo o rd e n ............... Control en lazo cerrado: Estabilidad ........................ Acciones básicas de control y su implementación con controla dores digitales ................. 3.10.1. Acción proporcional ............. 3.10.2. Acción integral ........................ 3.10.3. Acción derivativa ......................... .................... 3.10.4. Controladores P I D ................ tonXToVdüarcs \ovSo o nai» .................................. Elección del controlador ó p tim o ............................. 3.12.1. Parámetros de evaluación......................................... 3.12.2. Caracterización de la p la n ta ................. 3.12.3. Elección y optimizacióndel regulador .................. 3.12.4. Conclusiones................................................... Resumen ................................. — — •• Referencias ..................
48 48 48 50 53 56 57 58 59 60 ^ 61 61 62 62 63 64 64
P A R T E II: E L A U T Ó M A T A P R O G R A M A B L E 4. Arquitectura interna del autómata .................................. 4.1. Introducción......................... 4.2. Bloques esenciales de un autómata....................... 4.3. Unidad central de proceso, C PU .................................................... 4.4. Memoria del autómata ................... 4.4.1. Memorias internas ............................ ................................. 4.4.2. Memoria de programa 4.5. Interfaces de entrada y salida 4.6. Fuente de alimentación .................................... 4.7. Resumen .......................................................................................... 4.8. Referencias .........................................................
67 67 67 68 69 70 72 73 73 75 75
5. Ciclo de funcionamiento del autómata y controlen tiempo real ....................... 5.1. Introducción ................. 52. Modos de operación ......................................... 5.3. Ciclo de funcionamiento ..................... 5.4. Chequeos del sistema .............. 5.5. Tiempo de ejecución y control en tiempo real .......................... 5.6. Elementos de proceso rápido 5.7. Procesado rápido de programas ................. 5.8. Contador de alta velocidad............................................... .. 5.9. Entradas detectores de fla n c o .......................................................... 5.10. Resumen .......................... 5.11. Referencias ....
76 76 76 77 80 81 83 84 85 87 88 89
6. Configuración del autómata............................................................................. 6.1. Introducción........................ 6.2. Tipos de procesadores en la unidadcentral de proceso.................... 6.3. Configuraciones de la unidad de con trol......................................... 6.3.1. Multiprocesadores centrales ........................... 6.3.2. Procesadores periféricos ..................................................... 6.4. Unidades de control redundantes .................................................... 6.5. Configuraciones del sistema de entradas/salidas ............................ 6.5.1. Entradas/salidas centralizadas ............................. 6.5.2. Entradas/salidas distribuidas ................ 6.6. Memorias de m a sa................................................. 6.7. Resumen ...........................................................................................
90 90 90 93 94 97 101 102 103 105 108 111
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7.
Sensores y actuadores ........... ....................... . . . ........... 7.1. Introducción.............................. 7.2. Sensores: Clasificación ......... 7.3. Características generales de los sensores ......................................... 7.3.1. Características estáticas ............................ ..................... 7.3.2. Características dinámicas ............................................. 7.4. Transductores de posición: Conceptos generales ............................ 7.5. Detectores de proximidad .................... 7.5.1. Conceptos generales ..................................... 7.5.2. Detectores inductivos.............................. .. 7.5.3. Detectores capacitivos ............................. . 7.5.4. Detectores ópticos ............. ....................... .. 7.5.5. Detectores ultrasónicos...................................................... 7.5.6. Criterios de selección...................................... 7.6. Medidores de posición o distancia .................................................. 7.6.1. Potenciómetros ........... 7.6.2. E n c o d c rs ........................................................................... 7.6.3. Sincros y resolvere............................................................ 7.6.4. Inductosyn ........... 7.6.5. Sensores láser ..................... 7.6.6. Sensores ultrasónicos ................ 7.6.7. Sensores magnetoestriciivos................................................ 7.7. Medidores de pequeños desplazamientos y deformaciones.............. 7.7.1. Transformadores diferenciales........................................... 112. Galgas extensométricas ........... 7.73. Transductores piezoeléctricos .................... 7.8. Transductores de velocidad................................................. 7.8.1. Dinamo tacométrica.................. 7.8.2. Generadores de im pulsos.................................... 7.9. Acelerómetros . .............................................................................. 7.10. Transductores de fuerza y par ........................................................ 7.11. Transductores de temperatura........................................................ 7.11.1. Termostatos..................................................................... 7.11.2. Termopares . .............................................................. 7.11.3. Termorresistencias PllOO .................................................. 7.11.4. Termorresistencias PT C y N T C ....................................... 7.11.5. Pirómetros de radiación ....................................... 7.12. Transductores de presión ........................ 7.13. Transductores de cau d al.................................. , . . . . , ................... 7.13.1. Medidores por efecto Ventun .............. 7.13.2. Medidores por presión dinámica ................................. 7.13.3. Medidores por velocidad ypor inducción.................... 7.13.4. Medidores volumétricos....................................... 7.14. Transduclores de nivel ...................................................................... 7.14.1. Transductores todo o nada.................................... 7.14.2. Transductores por presión.... ............................................... 7.14.3. Transductores por flotado r................................................ 7.14.4. Transductores ultrasónicos........................ 7.15. Accionamientos: Clasificación ........................................................... 7.16. Accionamientos eléctricos.................................................................. 7.16.1. Relés y contactores . * ........................... 7.16.2. Servomotores de C C .............. 7.16.3. Servomotores de C A .................. 7.16.4. Motores paso a paso ................ 7.17. Accionamientos hidráulicos y neumáticos .............. 7.17.1. Válvulas ............................. 7.17.2. Servovátvulas.................. 7.17.3. C ilin d ro s .................................................... 7.17.4. Sujeción por v a c io .................. 7.17.5. Bombas y motores hidráulicos....................
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113 113 113 115 115 116 116 116 116 117 118 119 119 120 120 120 121 122 124 125 126 126 126 126 127 128 129 129 129 129 130 130 131 131 131 132 132 133 133 134 134 134 135 135 135 135 136 136 136 136 136 137 138 139 141 141 141 142 143 143
Resumen ................................................................ R e fe re n c ia s ................ ,.. .................. . .................-............
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7.18. 7.19,
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8. Interfaces de entrada/salida . . . . . . ............. 8.1. Introducción................ ...................................................................... 8.2. Tipos de interfaces de E / S ............................................................... 8.3. Entradas/salidas digitales * . . . , . . ............................ 8.4. Entradas lógicas ............................... , 8.4.1. Entradas de C C P N P ...................................................... 8.4.2. Entradas de C C NPN .......................... 8.4.3. Entradas de C A . . . . . . . . . ............. 8.5. Salidas lógicas , ................................................................ .............. 8.5.1. Salidas de C'C P N P .......................................................... 8.5.2. Salidas de C C NPN ..................... 8.5.3. Salidas por relé ..................... 8.5.4. Salidas estáticas de C A ............... 8.6. Entradas/salidas analógicas .......................... 8.7. Conversión D/A ....................................................................... . . . 8.7.1. Convertidores unipolares .......................... 8.7.2. Convertidores con sig no .................................................... 8.8. Conversión A/D . . ...................................................................... 8.8. i Adaptación de señal y circuito de S& I I ............ 8.8.2. Convertidores basados en contador ................................. 8.8.3. Convertidor de aproximaciones sucesivas ........................ 8.8.4. Convertidor de doble rampa de integración .................... 8.9. Interfaces para entradas analógicas .................. 8.10. Interfaces para salidas analógicas....................................................... 8.11. Resumen ......................................................... .................................. 8.12. Referencias ................................................................... . ...............
145 145 145 146 147 148 150 150 151 152 153 154 154 155 156 156 158 159 159 160 161 162 163 166 171 171
9. Interfaces específicas . . . . ..................... ..................................................... 9.1. Introducción ............................................................................ 9.2. Entradas/salidas especiales .............. 9.2.1. Entradas/salidas multiplexadas ........... 9.2.2. Detectores o comparadores de umbral analógico ............ 9.2.3. Medidas de temperatura .................................................. 9.2.4. Módulos de contaje rápido .............. 9.2.5. Interfaces adaptadoras de señal.......................................... 9.2.6. Módulos de transmisión serie, o módulos A S C II ............ 9.3. Entradas/salidas inteligentes ..................................................... 9.3.1. Acopladores analógicos ........... 9.3.2. Convertidores de código binario/BCD ............................. 9.3.3. Interfaces de contaje rápido y lectura de recorrido .......... 9.4 Procesadores periféricos inteligentes ............................................... 9.4.1. Procesadores de regulación P 1 D ...................... 9.4.2. Procesadores de posicionamiento ...................................... 9.5. Resumen ........................................................................................... 9.6. Referencias . ............., ........................................................ . . . . .
172 172 173 173 174 175 177 178 178 179 180 181 182 183 184 189 193 193
10. Programación del autómata ...... ¡ . 10.1. Introducción...................................... 10.2. Representación de sistemas de control ...................................... 10.2.1. Descripciones literales . r , ................... 10.2.2. Funciones algebraicas ..................... 10.2.3. Esquemas de re lé s ............................. 10.2.4. Diagramas lógicos ......................................................... 10.2.5. Ordinogramas ............. 10.2.6. Representación G R A F C E T .............................................. 10.3. Identificación de variables y asignación de direcciones..................... 10.4. Lenguajes de programación . ..........................................................
194 194 195 196 196 197 197 197 198 199 200
VIII
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10.5. 10.6. 10.7. 10.8. 10.9. 10.10.
Lenguajes booleanos y lista de instrucciones................................... Diagramas de contactos ............... . . , ......................................... Plano de funciones .......................................... . .................. lenguajes de alto nivel .......................... Resumen .................................................................... Referencias ...............................................
202 204 206 208 209 210
11. Programación de bloques funcionales .............................................................. 11.1. Introducción ............................................................................ 11.2. Bloques secuenciales básicos .............................................. ........................................... 11.2.1. Biestables 11.2.2. Temporizadores . . . . ....... 11.2.3. Contadores .......................................... . , . 11.2.4. Registros de desplazamiento.......................... 11.2.5. Secuenciadores paso a p a s o ................. 11.3. Bloques funcionales de expansión.................... 11.3.1. Funciones de carga y transferencia................................. 11.3.2. Comparaciones de datos .................... 11.3.3. Instrucciones lógicas entre palabras................................... 11.3.4. Funciones aritméticas........................................................ 11.3.5. Funciones de comunicación ................................... 11.4. Instrucciones especiales..................................................................... 11.5. Resumen .................................................................................. 11.6. Referencias .............................
211 211 212 212 213 216 218 220 221 222 223 224 225 226 228 230 230
12. Estructuras de programación ..................... 12.1. Introducción . . . . . . . f . . . . . .......... 12.2. Programación lineal 12.2.1. Saltos de programa ......................................... 12.2.2. Relé maestro de control........................ ....................................................... 12.3. Programación estructurada 12.3.1. Programación m o du lar....................................................... 12.3.2. Subrutinas....................................... 12.4. Programación m ultitarea................................ 12.5. Tarcas rápidas e interrupciones................. 12.6. Parametrización de módulos funcionales.......................................... 12.7. Programación de procesadores periféricos inteligentes .................... 12.8. Resumen .............................................. . . . » » ..........» ................... 12.9. Referencias ................................ .
231 231 232 233 235 235 237 238 239 241 243 245 248 249
13. Equipos de programación y servicio de losA P I ............................................ 13.1. Introducción............................... 13.2. F.quipos de programación....................................... 13.2.1. Consolas de programación . . ................................. 13.2.2. Terminales de programación ........................................... 13.2.3. Software pañi la programación .......................................... 13.3. Modos de trabajo de los equipos deprogramación ......................... 13.4. Unidades de diálogo y test . . . ................ 13.5. Visualizadores alfanumérieos............................................................. 13.6. Terminales de explotación ............................................................... 13.6.1. Terminales gráficos . ................................................ 13.6.2. Ejemplo de programa con termina! . . ............................. 13.7. Resumen ................... . ............... 13.8. Referencias .............................. „ . ., .......... - ..................
250 250 251 251 252 255 257 260 261 261 265 265 267 267
P A R T E III. R E D E S D E A U T Ó M A T A S 14. Conceptos generales de comunicacionesdigitales.............................................. 14.1. Introducción.................... ...
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271 271
14.2. 14.3. 14.4.
Ventajas de las coítiuti no ............ . . . . ................... Algunas definiciones reljtr» ■- i«munkaciones .................................. Normalización: Modelo de referen.-;»OSI ................................. 14.4.1. Tareas asignadas j ouIj jr->delos niveles O S I ............... 14.5. Redes locales industriales . . » ............................ 14.6. Topología de las LA N . 14.7. Nivel físico de la red . . . . 14.7.1. C a b le s ...................... 14.7.2. Enlaces por fibra óptica 14.7.3. Modems telefónicos y vía radio .............................. 14.7.4. Codificación y sincronización dedatos ................. 14.8. Enlaces estándar: Nivel tísico ,, ...................................... 14.8.1. RS-232C, V.24 ..................................... 14.8.2. Bucle de corriente, T T Y ... 14.8.3. RS422 ............................................ 14.8.4. RS-485 ......... - ................. 14.8.5. E T H E R N E T ..................................................................... 14.9. Estructura lógica de las L A N ........................ 14.9.1. Control de acceso al medio ( M A C ) ............................... 14.9.2. Control lógico de enlace (L L C ).... ................................... 14.10. Control de errores ............................................................................ 14.11. Resumen . . . .............. 14.12. Referencias ...............................
15.
Redes 15.1. 15.2. 153.
15.4.
15.5.
15.6. 15.7. 15.8.
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15.10.
15.11. 15.12. 15.13.
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296 de comunicaciónindustriales ................................................................ Introducción................................ 296 Buses de campo 297 M O D B U S ................... 299 153.1. Estructura de la r e d ............................................... . , . ,, 299 300 15.3.2. Protocolo............................................................................ 153.3. Nivel de aplicación ............................ 305 15.3.4. Variante de M O D B U S: JB U S ................................ 305 B 1 T B U S .................... ........................................................................ 306 15.4.1 Estructura de la r e d ........................................................... 306 15.4.2. Protocolo............................................................ 309 15.4.3. Nivel de aplicación .............................. 312 15.4.4. Aplicaciones industriales basadas en B 1 T B U S .................. 313 PRO F1BUS .......................................................... 313 15.5.1. Estructura de la r e d ........................................................... 314 15.5.2. Protocolo............................................................................ 315 15.5.3. Aplicación .......................................................................... 317 15.5.4. Algunas redes industriales basadas en P R O F IB U S .......... 318 Multiplexores deF . / S .................................... 318 Redes LA N industriales ........................................................... 317 M A P ...................................................... 319 15.8.1. Estructura de la red y protocolo ................................... 319 15.8.2. Nivel de aplicación ........................................................... 320 M I N I M A P ......................................................................................... 320 15.9.1. Estructura de la r e d ........................................................... 321 15.9.2. Protocolo................................. 321 15.9.3. Procedimientos de inicialización ............................... 322 E T H E R N E T ............................................... , ................................. 324 15.10.1. Estructura de la r e d ................................................ 325 15.10.2. Protocolo.................................................................... .. , . 326 15.10.3. Procedimientos de inicialización ..................................... 327 Nivel de aplicación: Sofiware ........................................................... 327 Resumen ........................................................................................... 327 Referencias ....................................................................................... 327
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17. Aplicaciones de los PC industriales 17.1. Introducción..................................................................................... 17.2. Sistemas operativos para PC industrial ........................................... 17.3. Software para aplicaciones industriales.............................................. 17.4. Funciones de los PC en la industria .............................................. 17.5. Interfaz del PC con el mundo exterior............................................ 17.6. Sistemas de adquisición de datos .................................................... 17.6.1. Sistemas de adquisición basados en laijelasT A D 17.6.2. Sistemas de adquisición basados en instrumentos 17.7. El PC como controlador industrial .................................................. 17.7.1. Red de autómatas-PC ...................................................... 17.7.2. El PC en control directo de planta ............................... 17.7.3. Sistemas de control distribuido ............................. 17.8. Aplicaciones para la supervisión y el control de producción .......... 17.8.1. SC A D A ........................ 17.8.2. Estructura de un paquete S C A D A .................................... 17.9. Aplicaciones para la gestión de la información de plan ta................ 17.9.1. Software para el control de calidad ......................... 17.9.2. Software para el mantenimiento..................... 17.10. Resumen ............................ 17.11. Referencias .................................................................
351 351 351 353 355 357 361 362 365 366 367 367 370 373 374 375 379 381 382 383 384
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16. Ordenadores industriales compatibles PC ......... 16.1. Introducción...................................................................................... 16.2. Autómata programadle versus PC industrial ............................ . 16.3. Características generales de un PC de aplicación industrial ........... 16.4. Protecciones en el PC industrial...................................................... 16.5. Configuración hardware del PC industrial .......................... 16.5.1. Unidad central de proceso y memoria interna ................ 16.5.2. Interfaces E/S y controladores ......................................... 16.5.3. Memorias m asivas ........... 16.5.4. Buses de interconexión ........................ 16.5.5. Periféricos del PC industrial.............................................. 16.6. Presentaciones constructivas de PC industriales .......................... 16.7. Resumen ........... 16.8. Referencias ............. .............. ... ................. * . » . ¡ .
P A R T E IV . E L A U T Ó M A T A E N S U E N T O R N O 18. Instalación y mantenimiento de autómatas programables ............................... 18.1. Introducción ................................................................................ 18.2. Fase de proyecto con AP . 18.3. Selección del autómata .......................................... 18.4. Fase de instalación .............. 18.5. Fijaciones y condiciones mecánicas ........................... 18.6. Espacios de ventilación .............. 18.7. Distancias de seguridad eléctrica ....................... 18.8. Condiciones ambientales ............................... — ........ 18.9. Compatibilidad electromagnética..................... 18.9.1. Origen y propagación de inlerlérencias ............................. 18.9.2. Espectro de frecuencias ........... 18.9.3. Comportamiento de los cables a altafrecuencia ................ 18.9.4. Acoplamiento entre c a b le s ................ 18.9.5. Radiación .......................................................................... 18.9.6. Descargas electrostáticas..................................................... 18.9.7. Clasificación y separación de ambientes ......................... 18.9.8. Red de alimentación ......................................................... 18.9.9. Resumen de criterios de protección ...............................
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387 387 387 389 390 391 391 391 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 400
13. IÓ. Alimentación y protecciones............. ............ 18.11. Distribución y cableado interno delarmario de co n tro l.................... 18.12. Cableado extemo ........... 18.13. Diseño e instalación del software .................................. 18.14. Fiabilidad de las instalaciones con autómatas .. 18.14.1. Fiabilidad................................................... 18.14.2. Disponibilidad .................................... 18.14.3. Seguridad............................................................................. 18.14.4. Averias en las instalaciones de autómatas........................ 18.15. Mantenimiento de instalaciones conautómatas................................. 18.16. Resumen .......................................................................................... 18.17. Referencias ....................................................................................
401 404 404 405 407 407 408 408 409 409 410 410
ANEXOS Anexo I. Principios de álgebra lógica................. ......................................... A 1-1. Componentes todo-nada y variableslógicas....................................... A 1.2. Operaciones lógicas ................ A 1.3. Propiedades del álgebra lógica ................................. AI.4. Funciones lógicas: tabla de verdad ............................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........... A 1.5. Símbolos lógicos ............ AI.6. Tabla de Karnaugh y simplificación................................................... A 1.7. Referencias .............
413 413 413 414 414 416 416 417
Anexo II. Códigos y sistemas de numeración ....................................................... A2.1. Información digital ................... A2.2. Sistema de numeración binario ...................................................... A2.3. Números negativos en sistema binario ...................................... A2.4. Código B C D ............................................................................. A2.5. Sistema hcxadecimal .........................................
418 418 419 420 420 421
Anexo III. Autómatas y redes comerciales ...................................... A3.I. Información ............. , . .................
422 422
Anexo IV. Normalización y niveles de protección deequipos industriales .............. A4.1. Necesidad de una normalizaciónindustrial .............. A4.2. Compatibilidad y susceptibilidad electromagnéticas ................... . A4.3. Solidez mecánica y especificaciones deoperación ...................... A4.4. Grados de protección....................................................................... A4.5. Ejemplo de especificaciones ........................... ............................. .
436 436 436 437 437 439
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18.10. 18.11. 18.12. 18.13. 18.14.
Alimentación y protecciones ................................................. Distribución y cableado interno delarmario de c o n tro l.................. Cableado ex tern o .......................................................................... . Diseño e instalación del software .................................................... Fiabilidad de las instalaciones con autómatas ................................. 18.14.1. Fiabilidad............................................................................. 18.14.2. Disponibilidad ................................ 18.14.3. Seguridad....................... 18.14.4. Averias enlas instalaciones de autómatas.......................... Mantenimiento de instalaciones con autómatas............................... Resumen ........................................... Referencias ...............................................................................
401 404 404 405 407 407 408 408 409 409 410 410
Anexo I. Principios de álgebra lógica....................................................... A 1.1. Componentes todo-nada y variables lógicas........................ A 1.2. Operaciones lógicas ................. A 1.3. Propiedades del álgebra lógica ............... . . . . . . . . . ..................... A 1.4. Funciones lógicas: tabla de verdad .................................................. A 1.5. Símbolos lógicos ..................................... A 1.6. Tabla de Karnaugh y simplificación ................................................ A 1.7. Referencias . . ..............................................................................
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Anexo II. Códigos y sistemas de numeración ....................................................... A2.1. Información digital A2.2. Sistema de numeración binario ................. , , . ..................... A2.3. Números negativos en sistema binario ............................................ A2.4. Código B C D ...................... ..................., ......... A2.5. Sistema hexadecimal . ...................
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Anexo III. Autómatas y redes comerciales ............................................................ A3.I. Inlómiación .........................................
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Anexo IV. Normalización y niveles de protección de equiposindustriales ................ A4.1. Necesidad de una normalización industrial ..................................... A4.2. Compatibilidad y susceptibilidad electromagnéticas ............ A4.3, Solidez mecánica y especificaciones de operación ............ A4.4. Grados de protección . ............... A4.5. Ejemplo de especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . .......
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18.15. 18.16. 18.17.
ANEXOS
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PRESENTACIÓN Los autómatas programables han supuesto la apliion masiva del microprocesador al mundo de los conies industriales. Su gran ventaja ha sido que han per— i•tido aplicar a dichos controles las conocidas ventajas . i los sistemas programables con respecto a los ca' irados. Pero quizás su mayor mérito es que han perudo el uso generalizado del microprocesador por parJe no especialistas. No obstante, el uso de autómatas obliga a adquirir « evos conocimientos si se quiere obtener de ellos el simo partido. Hay, sobre lodo, dos aspectos que jus;an la edición de un libro como éste. El primero es - el autómata obliga a pensar de forma distinta a la -ora de plantear un diseño. El segundo es que el auvmata permite disponer de comunicaciones con otros emas informáticos más potentes y esto amplia enor memente las prestaciones del conjunto. Los autores han tenido con este texto el mérito de -•poner de una forma sistemática y ordenada, las tec has de diseño a emplear en los automatismos basados autómatas programables. E l texto contiene una despción del propio autómata y de una serie de sistemas '■entéricos relacionados con él, haciendo hincapié en •..aellas partes donde el diseñador debe tomar decisioimportantes. .
Puede decirse con toda objetividad que el libro pre senta la ventaja conjunta de una clara exposición de los conceptos teóricos (modelos y funciones de transferen cia, automatismos combinacionales y secuenciales, di seño convencional y basado en G R A F C E T y en G EM M A , controladores, etc.) y un detallado tratamiento de aspectos de aplicación práctica como son los distintos tipos de transductores y sensores, interfaces de Entrada/ Salida y dinlinlos temas de programación. También hay que resaltar la parte dedicada a Redes de Autómatas, su configuración, y cuestiones importantes referentes al en torno de trabajo, alimentación, protecciones, cableado, que condicionan en gran medida la fiabilidad de los sis temas y su facilidad de mantenimiento. Por todo ello, creo que esta obra constituye una mag nífica aportación a la difusión de la teoría, la tecnología y la utilización práctica de los Autómatas Programables que sin duda alguna ha de resultar de gran utilidad para el colectivo de profesionales de la electrónica y la au tomatización, o estudiantes de carreras técnicas, inte resados en iniciar o profundizar sus conocimientos en esta área.
JO A N P E R A C A U L A Catedrático del Departamento de Ingeniería Electrónica. E .T .S . de Ingenieros Industriales Universitat Politécnica de Catalunya
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PRÓLOGO La obra que presentamos a continuación ha tenido dilatado período de gestación y maduración. F.l nú. 1 de la misma nació en forma de apuntes para cursos . distintos niveles, apoyados con prácticas de prograición con autómatas de diversas marcas y dirigidos a senadores de automatismos, algunos de ellos proce -entes del campo de los relés y otros con una sólida irmación en los campos de la informática o los m¡procesadores. Esta experiencia previa nos hizo ver que hay técnicos .. muy diversa procedencia relacionados de alguna lórcon el «mundo» de los autómatas, y que dicho mundo» abarca aspectos muy diversos que van desde diseño de automatismos, su instalación y manteni-;,ento y las comunicaciones con otros equipos como aeden ser los de control numérico o los ordenadores . proceso. Todo ello nos llevó a comprender y valorar . enorme cantidad de conceptos que se manejan en las .¡stintas facetas antes mencionadas. Como es sabido, el autómata nació como un paso delante de los antiguos automatismos basados en relés, -iduso los primeros lenguajes de programación estaban -.isados en el simbolismo de contactos. No obstante, :Stu idea muy pronto se quedó corta para expresar todo J potencial de operaciones lógicas combinaeionales y :cuenciales y aritméticas que es capaz de ejeeular cual quier autómata. Así pues, el técnico que lo fuera en aunnalismos de relés debía aprender a utilizar los nuevos ■cursos que ponía a su alcance el autómata, recursos qLie fueron evolucionando muy rápidamente en los años "0 y principios de los 80, siguiendo la evolución de los microprocesadores y exigiendo esto su formación y puesta al día en una serie de aspectos, sobre todo de tipo electrónico o informático. Por otro lado se han aproximado al mundo del au tómata una serie de técnicos muy formados en el mundo
de la electrónica, la informática y los microprocesadores, pero con poca experiencia en el diseño de sistemas de control y un cierto desconocimiento de las condiciones de entorno en las que debe operar un sistema de control industrial. Para este tipo de técnicos el diseño basado en un ordenador de proceso resulta fácil hasta que llegan a la interfaz con el proceso o a la integración en el sis tema de los captadores y accionamientos de potencia, para los cuales ciertamente los ordenadores normales no están preparados. A pesar de lo dicho en los párrafos anteriores de bemos aclarar que hoy en día no tiene sentido plantearse la disyuntiva «autómata u ordenador de proceso», sino que, tanto el autómata como el ordenador son piezas de un conjunto superior que los engloba y que se ha dado en llamar C IM (Computer Integrated Manulácturing), donde se mezclan y se combinan los ordena dores, los controles numéricos, los robots y los propios autómatas, desempeñando cada uno ciertas funciones para las que está especialmente dotado. Es por ello que el texto que presentamos no se limita a un descripción del autómata, sino que pretende cubrir todos los as pectos relacionados con él. empezando por la elección del más adecuado, siguiendo por los métodos de diseño de automatismos lógicos o con señales analógicas, di seño que acabará normalmente con la implementación y programación, describiendo los sensores y acciona mientos externos y las interfaces necesarias para su in tegración en el sistema electrónico, hasta llegar a la co municación e integración de sistemas complejos como los descritos anteriormente. Deseamos sinceramente que nuestros lectores en cuentren en este texto un punto de referencia y que les sirva de base para una mejor comprensión de los au tómatas y de las tecnologías que les rodean.
LO S AUTORES
XV
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PARTE I AU TO M A TIZA CIÓ N : CONCEPTOS GENERALES
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1. INTRODUCCIÓN AL CONTROL INDUSTRIAL I. INTRODUCCIÓN Kl concepto tic control es éxlraordiMínente amplio, abarcando desde simple interruptor que gobierna el -.elidido de una bombilla o el grifo •c regula el paso de agua en una tu.ría. hasta el más complejo ordenador .. proceso o el piloto automático de i avión. Podríamos definir el control como la aiiipuJución indirecta de las magnijdes de un sistema denominado pUtn. a través de otro sistema llamado sisoía ¡le control. La figura 1.1 muestra rsqUémátieamentc un diagrama de blo_ues con los dos elementos esenciales: •istema de control y planta. Los primeros sistemas de control se esarrollaron con la revolución indus trial de finales del siglo xi\ y principios del siglo \x. Al principio, se basaron .asi exclusivamente en componentes mecánicos y electromecánicos, básica mente engranajes, palancas, relés y pe queños motores, pero a partir de los años cincuenta empezaron a emplearse los semiconductores, que permitían el diseño de sistemas de menor tamaño y consumo, más rápidos y con menor desgaste. En la década de los setenta, la com plejidad y las prestaciones de los sis temas de control se incrementaron gra cias al empleo de circuitos integrados y en particular los de tipo programable (sistemas basados en microprocesado res).
Finura
/./,
Al tiempo que se desarrollaban los circuitos integrados lo hacían también los ordenadores digitales, si bien su empleo en la industria quedaba res tringido al control de procesos muy complejos, debido a su elevudo coste, necesidad de personal especializado para su instalación y manejo y a la poca facilidad de interconexión (interfaz) con el proceso, donde se manejan habilualmente tensiones y corrientes fuer tes, para las cuales no suele estar pre parado el ordenador. La demanda en la industria de un sistema económico, robusto, flexible, fácilmente modificable y con mayor fa cilidad para tratar con tensiones y co rrientes fuertes que la que tenía el or denador, hizo que se desarrollasen los autómatas programables industriales, abreviadamente A P I en la literatura castellana o P L C en la literatura anglo sajona. Los primeros autómatas pretendían, básicamente, sustituir a los sistemas convencionales con relés o circuitos ló gicos, con las ventajas evidentes que suponía tener un hardware estándar. Por ello nacieron con prestaciones muy similares a las que ofrecían dichas tec nologías convencionales y sus lengua jes de programación eran muy próxi mos a los esquemáticos empleados en las mismas. Estas limitaciones eran aconsejadas sólo por razones de mercado y no res pondían a limitaciones tecnológicas de aquel momento, ya que las posibili
Sistema de control.
3
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dades que realmente podían ofrecer eran mucho mayores. Los autómatas actuales han mejo rado sus prestaciones respecto a los pri meros en muchos aspectos, pero fun damentalmente a base de incorporar un juego de instrucciones más potente, mejorar la velocidad de respuesta y do tar al autómata de capacidad de co municación. Los juegos de instruccio nes incluyen actualmente, aparte de las operaciones lógicas con hits, lemporizadores y contadores, otra serie de ope raciones lógicas con palabras, operacio nes aritméticas, tratamiento de señales analógicas, funciones de comunicación y una sene de funciones de control no disponibles en la tecnología clásica de relés. Todo ello ha potenciado su apli cación masiva al control industrial tal y como muestra la figura 1.2. En definitiva, podríamos decir que los grandes autómatas actuales se acer can cada vez más a las prestaciones de un pequeño ordenador, siendo algunos incluso programables en lenguajes tí picamente informáticos como el B A SIC . Sin embargo, la principal virtud del autómata sigue siendo su robustez y facilidad de interconexión al proceso y la tendencia actual no es precisamente la de acercarlo más a las prestaciones de los ordenadores en cuanto a su ca pacidad de cálculo, sino dotarlo de fun ciones específicas de control y de ca nales de comunicación para que pue dan conectarse entre sí y a los propios ordenadores. El resultado de esta in tegración es la red de autómatas co nectada a ordenador, capaz de ofrecer las prestaciones y ventajas de ambos sistemas al integrar en un solo sistema todas las funciones de producción asis tida por ordenador (C1M). La disponibilidad de estos nuevos elementos y funciones en el campo del control industrial obliga a replantearse la configuración y los propios métodos de diseño de los automatismos. La fi gura 1.3 muestra un diagrama con los
AUTÓM ATAS N tO O RA M A BLKS
Pn E S TAO OUES G1M
-
LOM UNU A C IO N ES. • RED ES
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B A S E S DE DATOS. G R Á FIC O S V lSU A L IZ AOORE S. IM P R E S O R A S O P E R A C IO N E S ARITMF TICAS S U S T IT U C IÓ N OE R E I F S
yS
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1970
1980
>990
AÑO
figura 1.2. Evolución de las prestaciones de los autómatas (cortesía de IIIi. principales pasos a seguir en el desa rrollo del proyecto de un sistema au tomático de control. F.n lo que sigue de esta primera parte del texto, introduciremos conceptos bá sicos y métodos para el diseño de sis temas de control, con cierta indepen dencia de la tecnología empleada para su implementación, aunque pensando siempre en el máximo aprovechamien to de las prestaciones que nos ofrecen las nuevas tecnologías, antes mencio nadas.
1.2. S IS T E M A S D E C O N T R O L Según se ha indicado en la intro ducción, el objetivo de un sistema de control es el de gobernar la respuesta de una pluma, sin que el operador in tervenga directamente sobre sus ele mentos de salida. Dicho operador ma nipula únicamente las magnitudes de nominadas de consigna y el sistema de control se encarga de gobernar dicha salida a través de los accionamientos. El concepto lleva de alguna forma implícito que el sistema de control ope ra, en general, con magnitudes de baja potencia, llamadas genéricamente se ñales, y gobierna unos accionamientos que son los que realmente modulan la potencia entregada a la planta. Esta idea se refleja en la figura 1.4. Según la definición anterior, el con junto de sistema de control y accio namientos se limitaría a ser un con vertidor amplificador de potencia que ejecuta las órdenes dadas a través de
las magnitudes de consigna. Este tipo de sistema de control se denomina en lazo abierto, por el hecho que no recibe ningún tipo de información del com portamiento de la planta. Lo habitual, sin embargo, es que el sistema de control se encargue de la toma de ciertas decisiones ante deter minados comportamientos de la planta, hablándose entonces de sistemas au tomáticos de control. Para ello se re quiere la existencia de unos sensores que detecten el comportamiento de di cha planta y de unas interfaces para adaptar las señales de los sensores a las entradas del sistema de control. El dia grama de bloques será, en este caso, el de la figura 1.5. Este tipo de sistemas se denominan en lazo cerrado, ya que su diagrama muestra claramente una estructura con una cadena directa y un retorno o realimentación, formando un lazo de control, Así pues, en el caso más general, po dremos dividir el sistema de control en los siguientes bloques: • • • •
LInidad de control Accionamientos. Sensores. Interfaces.
Cabe indicar aquí que el papel del autómata programable dentro del sis tema de control es el de unidad de con trol. aunque suele incluir también, to talmente o en parte, las interfaces con las señales de proceso. Al conjunto de señales de consigna y de rcalimenlación que entran a la
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Figura control.
Fases de proyecto de un sistema de
unidad de control se les denomina ge néricamente entradas y al conjunto de señales de control obtenidas salidas
1.3. A U T O M A T IS M O S A N A L Ó G IC O S Y D IG IT A L E S Según la naturaleza de las señales que intervienen en el proceso, los sis-
INTRO DUCCIO N AL CONTROL IN D USTRIAL
ii
E N E R G IA
S IS T E M A
ACCIONAMIENTOS
DE CONTROL
P LA N TA
= > RESPUESTA
SEÑ A LES |DE CONSIGNA
SEÑ A LES DE CONTROL
E le m e n to s
I ,
de se ñ al
E le m e n to s de p o te n c * a
Figura 1.4. Sistema de control en lazo abierto. E N E R G IA
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'S E N A l E S UE CO NSIGN A EN TRA D A S
UNIDAD DE CONTROL
S A L IÜ A S SEÑ A LES DE CONTROL
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ACCIONAMIENTOS
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IN T E R F A C E S SEÑ A LES DE RE A LIM EN TA CIÓ N E le m e n to s de se ñ a l
E le m e n to s d e p a te n cia
Figura 1.5. Sistema de control en lazo cerrado. temas de control pueden dividirse en ios siguientes grupos: • Sistemas analógicos. • Sistemas digitales. Sistemas híbridos analógico-digitales. Los sistemas analógicos trabajan con señales de tipo continuo, con un mar gen de variación determinado. Dichas señales suelen representar magnitudes risicas del proceso, tales como presión, temperatura, velocidad, etc., mediante una tensión o corriente proporcionales a su valor (0 a 10 V, 4 a 20 mA, etc.). Los sistemas digitales, en cambio, trabajan con señales todo o nada, lla madas también binarias, que sólo pue den presentar dos estados o niveles: abierto o cerrado, conduce o no con duce. mayor o menor, etc. Estos ni veles o estados se suelen representar por variables lógicas o bits, cuyo valor puede ser sólo 1 o 0, empleando la no tación binaria del álgebra de Boole. Dentro de los sistemas digitales cabe
distinguir dos grupos: los que trabajan con variables de un solo bit, denomi nados habitualmente automatismos ló gicos y aquellos que procesan señales de varios bits, para representar, por ejemplo, valores numéricos de varia bles o contenido de temporizadores, contadores, etc. A estos últimos se Ies denomina genéricamente autom atis mos digitales.
Los sistemas de control actuales con un cierto grado de complejidad, y en particular los autómatas programables, son casi siempre híbridos, es decir, sis temas que procesan a la vez señales analógicas y digitales. No obstante, se tiende a que la unidad de control sea totalmente digital y basada en un mi croprocesador, que aporta la capacidad de cálculo necesaria para tratar las se ñales todo o nada en forma de bits y las señales analógicas numéricamente. Dado que muchos de los sensores habituulmenle empleados suministran señales de tipo analógico, las interfaces de estas señales deben realizar una conversión analógico-numérica, llama da habitualmente conversión analógico-digital (A/D ), para que puedan ser tratadas por la unidad de control. Puede ser necesario también dispo ner de señales analógicas de salida, para ciertos indicadores o para control de ciertos servosistemas externos. En tal caso el sistema de control debe dis poner también de interfaces para la conversión digital-analógica (D /A ). ca paces de suministrar dichas señales a partir de los valores numéricos obte nidos por la unidad de control. La figura 1.6 muestra la estructura de la unidad de control, resaltando las in terfaces necesarias para el tratamiento de las señales de entrada y salida co múnmente empleadas en controles in dustriales.
1.4. C O M P O N E N T E S Y M O D E L O S En los automatismos encontramos habitualmente una diversidad de com-
Figura 1.6. Señales de FJS de la unidad de control.
ENTPAD AS D IG IT A L E S
O
DBDBRn ( in u B ia uuaHaa
S A L ID A S D IG IT A L E S
U N ID A D DE C O N TR O L
A/D
ENTRADAS A N A LO G IC A S
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DI A
S A L ID A S A N A IÓ G IC A S
AUTÓMATAS M tO O RA M ABLES
ponentes o subsistemas de tipo mecá nico, hidráulico, neumático, eléctrico o fisicoquimico. Se trata, pues, de siste mas que combinan múltiples tecnolo gías. haciendo necesario un lenguaje común para la coordinación e integra ción óptima de todas ellas en el sistema. A nivel físico, la ligazón entre dichos subsistemas tecnológicamente diver sos, la realizan los sensores e interfaces. Pero a nivel de caracterizar su com portamiento. el diseñador necesita un miníelo independiente de la tecnología que le permita tratar a todos ellos con una metodología común, sea cual sea su principio tecnológico. 01 modelo permite tratar a cada com ponente o subsistema como una «caja negra» a la cual se asocia una /tinción de transferencia que relaciona las magnitu des de salida de interés con las magni tudes de entrada y que, por tanto, permi te predecir su comportamiento una vez conocido su estado inicial y las señales de entrada aplicadas. Este enfoque nos permitirá, pues, tratar cualquier sistema o parte del mismo mediante un diagra ma de bloques, que permite representar mediante un simbolismo común ele mentos de diversas tecnologías, que a pesar de su diversa índole aparecerán para el diseñador como homogéneos. Para clarificar el concepto de modelo independiente de la tecnología pode mos poner un ejemplo. Para el espe cialista en relés, el esquema eléctrico de un automatismo es un modelo a partir del cual es capaz de predecir el comportamiento del sistema ante de terminadas entradas. Pero este modelo carece de significado para un especia lista en hidráulica o neumática, que a su vez utiliza otro tipo de esquemas. Sin embargo, ambos tienen en común que emplean elementos todo o nada, que pueden representarse con el mo delo común del álgebra de Boole, que sería el modelo independiente de la tec nología que permite tratar ambos tipos de sistemas bajo un mismo punto de vista. La figura 1.7 ilustra este concepto. De forma análoga, los sistemas ana lógicos pueden tratarse mediante fun ciones algebraicas continuas que rela cionan las magnitudes de salida con las de entrada. Las herramientas mate máticas para el tratamiento de estos sis temas son básicamente la transformada de Laplace, para sistemas analógicos y
la transformada en r, para sistemas di gitales muestreados. Los métodos del álgebra de Boole, la transformada de Laplace y la trans formada en e, son útiles matemáticos imprescindibles para abordar el diseño de sistemas de control, pero no es im prescindible su conocim iento para comprender el funcionamiento de los autómatas. Este texto está dedicado bá sicamente al conocimiento de los au tómatas y no pretende profundizar en los métodos de diseño de sistemas de
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control, por lo que nos limitaremos a utilizar conceptos básicos y remitire mos en cada caso al lector a la biblio grafía específica sobre aquellos temas, para un conocimiento más profundo.
1.5. A U T O M A T IS M O S C A B L E A D O S Y PRO G RA M A BLES Una de las claves del éxito de los autómatas programadles frente a los equipos de relés, o incluso frente a
41 INTRODUCCION AL CONTROL INDUSTRIAL :.
; quipos construidos a base de circuitos ■rtegrados. ha sido la posibilidad de -¿alizar funciones muy diversas con un snio equipo (hardware estándar) y ¡mbiando únicamente un programa • l'tware). Atendiendo a este criterio podemos . ¡sificar los sistemas de control en dos ^-¿ndes grupos: • Sistemas cableados (poco adapta bles). • Sistemas programables (muy adap tables). Los primeros realizan una (unción . e control tija, que depende de los capónenles que lo forman y de la foren que se han ¡nlerconectado. Por >nto. la única forma de alterar la fun. n de control es modificando sus . imponentes o la forma de interco-¿ciarlos. Los sistemas programables, en cam'lo. pueden realizar distintas funciones je control sin alterar su configuración sica, sino sólo cambiando el programa de control. Tratándose aquí de un texto sobre .utómatas programables, estas defini. iones deben matizarse algo más, puesque, estrictamente hablando, cual quier equipo basado en un micropro.esador es en principio programable, -ero para ello se requiere personal al imente especializado y equipos de de -arrollo de cierta complejidad. En de' nitiva, del atributo «programable» se veneficia en este caso el fabricante del equipo, para el cual supone que con un nardware estándar puede variar dentro Je ciertos límites la función del equipo; pero normalmente no está en la mano del usuario el poder alterar sus funcio nes, por lo que para este último el equi po es «de programa fijo» o «adaptado a medida». En el autómata, el atributo «progra mable» hay que interpretarlo como •programable por el usuario», con lo cual éste obtiene los beneficios de un equipo multifunción con un hardware fijo. La base sigue siendo un equipo con un microprocesador, al cual se ha incorporado un programa intérprete, ca paz de alterar la función de transferen cia salida/entrada en razón de un pro grama de usuario. En realidad, podría mos decir que esta es la característica
" --
..
más relevante que distingue al autó mata programable de otros dispositivos o sistemas programables. En las tablas 1.1 y 1.2 hemos resu mido las características, ventajas e in convenientes de los autómatas progra mables frente a los sistemas cableados y frente a los equipos de programa fijo o «lógica a medida».
1.6. E L AU TÓ M A TA PRO GRAM ABLE A lo largo de los primeros párrafos de introducción hemos ido clasificando los sistemas de control según diferentes criterios, al tiempo que íbamos situan do a los autómatas programables den tro de cada una de estas clasificaciones. Estamos, pues, en condiciones de dar una descripción de lo que entendemos por autómata programable. Desde el punto de vista de su papel dentro del sistema de control, se ha di cho que el autómata programable es la unidad de contra!, incluyendo total o parcialmente las interfaces con las se ñales de proceso. Por otro lado, se trata de un sistema con un hardware están dar. con capacidad de conexión directa a las señales de campo (niveles de ten sión y corriente industriales, transduc-
■ ■ ■ ■ lores y periféricos electrónicos) y pro gramadle por el usuario. Al conjunto de señales de consigna y de realimentación que entran en el autómata se les denomina genérica mente entradas y al conjunto de señales de control obtenidas salidas, pudiendo ser ambas analógicas o digitales. El concepto de hardware estándar que venimos indicando para el autó mata se complementa con el de nwdularidad. entendiendo como tal el he cho de que este hardware está frag mentado en partes ¡ntcreonectables que permiten configurar un sistema a la medida de las necesidades. Asi pues, encontramos autómatas compactos que incluyen una unidad de control y un mínimo de entradas y sa lidas y luego tienen previstas una serie de unidades de expansión que les per miten llegar hasta 128 o 256 entra das/salidas. Para aplicaciones más com plejas se dispone de autómatas mon tados en rack con posibilidad hasta unas 2000 entradas/salidas controladas por una única unidad central (C P U ). La tabla 1.3 resume a grandes rasgos las características de los autómatas actua les desde el punto de vista de modularidad. Existe también la posibilidad, en au tómatas grandes, de elección entre va-
Tabla 1.1. Comparación de sistemas cableados y sistemas programables. SISTEM A CABLEAD O
AUTÓMATA PROGRAM AR!.E
Flexibilidad de adaptación al proceso
Baja
Alta
Hardware estándar para distintas aplicaciones
No
Sí
Bajas
Altas
Mucho
Poco
Tiempo de desarrollo del proyecto
Largo
Corlo
Posibilidades de modificación
Difícil
Fácil
Mantenimiento
Difícil
Fácil
Herramientas para prueba
No
Sí
Stocks de mantenimiento
Medios
Bajos
No
Si
Alto
Bajo
Difícil
Fácil
C ARACTERÍSTICA
Posibilidades de ampliación Interconexiones y cableado exterior
Modificaciones sin parar el proceso («on line») Coste para pequeñas series Estructuración en bloques independientes
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SISTEM A DE RELÉS
LÓGICA A M ED ID A
AUTÓMATA PROGRAMABL E
Volumen
Alto
Bajo
Bajo
Consumo
Alto
Bajo
Bajo
Velocidad
Baja
Alta
Media
Difícil
Difícil
Fácil
Desgaste
Alto
Bajo
Bajo
Robustez
Alta
Baja
Baja
Ampliación
Difícil
M uy difícil
Fácil
Flexibilidad
Poca
Nula
Alta
Coste por variable interna
Alto
Medio
Bajo
Alto Alto
Medio Bajo
Bajo Medio
Poco
Mucho
Medio
Bajos
Altos
Medios Si
C ARACTERÍSTICA
Interconexión de vanos procesos
Coste para F /S > 15 Pequeñas series Grandes series Personal de mantenimiento especiali zado Stocks de mantenimiento F U
Lógica combinaciortal Lógica secuencial
N C
Instrucciones aritméticas Reguladores
1
Textos
Si
Si
Limitada
Si
Si
No
Si
Si
No No
Si
Si Si
0
Gráficos
No
Si Si
N
Comunicaciones
No
Si
Sí
E S
Tom a decisiones Software estándar
Bajo nivel No
Si
Si Sí
Si
No
Tabla 1.2. Comparación de sistemas Iónicos a medida j' sistemas programablcs por el usuario.
Tahla 1.3. Características de los autómatas atendiendo a su nwdularidad. M O D U LA RES
AUTÓMATAS
COMPACTOS CPU UNICA
N U M E R O D E C PU
1 Central
1 Central
V A R IA S CPU
1 Central + -v Dedicadas
N" F .N T R A D A S / S A L ID A S
8 a 25t>
128 a 1024
> 1024
J U E G O IN S T R U C C IO N E S
< 100
< 100
> 100
PA SO S D E PR O G R A M A
< 2000
< 2000
2000 a 40.000
U N ID A D E S E X P A N S IÓ N
Digitales + Analógicas
Digitales +
Digitales +
Analógicas
Analógicas + Reguladores
Esclavo
Esclavo
Maestro o
F U N C IO N F.N R E D
Esclavo
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ríos tipos de C P U . adaptados a la tarea que deba realizarse o incluso de múl tiples C P U trabajando en paralelo en tareas distintas. Asi. las posibilidades de elección, tanto en capacidad de proceso como en número de entradas/salidas, son muy amplias y esto permite afirmar que se dispone siempre de un hardware es tándar adaptado a cualquier necesidad. Esta adaptabilidad ha progresado úl timamente hacia el concepto de inte ligencia distribuida, gracias a las co municaciones entre autómatas y a las redes autómata-ordenador. Esta técnica sustituye el gran autómata, con muchas entradas/salidas controladas por una única C P U , por varios autómatas, con un número menor de E/S, conectados en red y controlando cada punto o sec ción de una planta bajo el control de una C P U central. La tabla 1.4 muestra un resumen de las características com paradas de ambos sistemas.
1.7. C O N T R O L PO R O R D E N A D O R Algunos procesos complejos requie ren sistemas de control con una gran capacidad de cálculo, conexión a es taciones gráficas, múltiples canales de comunicación, facilidad de adaptación, capacidad de multiproceso, etc. Para ellos se han venido utilizando minior denadores a los que se han adaptado interfaces específicas para la planta a controlar. Actualmente esta solución no está descartada, pero resulta económica mente cara y poco estándar, sobre todo por el hecho de que el ordenador no suele disponer de interfaces adecuadas para recoger y enviar las señales de planta. Hay que considerar, además, que la frontera entre un autómata de gama alta y un ordenador es cada vez más difusa, ya que dichos autómatas incor poran funciones de cálculo potentes, capacidad de programación en alto ni vel, herramientas de gestión de la pro ducción, etc., y, por otro lado, permiten fácilmente comunicarse entre si o con un ordenador central. Asi pues, la tendencia actual en el control de procesos complejos es uti lizar los autómatas en red o como pe riféricos de un ordenador, con lo cual
INTRO DUCCIÓ N AL CONTROL IN D USTRIAL
C ARACTERÍSTICA ."•acidad de procesamiento : facturación en bloques
AUTOMATA UNICO
IN TELIG EN C IA D ISTRIBUID A
Buena
Optima
Buena
Óptima
calidad de mantenimiento
Buena
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macenajes de manlenimienlo
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-•ponibilidad del sistema frente a averias locales
Baja
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Óptimo
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sibilidades de modificación y ampliación
Buenas
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.eso a recursos compartidos
Rápido
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Buena
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lOleado Jularidad
: ipide/ de procesamiento '- ‘•J
14. Comparación de sistemas con inteligencia distribuida frente aI autómata único.
- ombinan la potencia de cálculo del - .mador y la facilidad de interfaces .ndar que ofrece el autómata. El sis~ j de control resultante de esta com- "ación ofrece las siguientes presta_ nes:
• 'istema programable con una gran otencia de cálculo. • irán cantidad de software estándar rara manipulación de datos y gestión Je la producción. • nterfaces estándar de ordenador rara estaciones gráficas, utilizadas para monitorizar el proceso. • Control descentralizado con inteli gencia distribuida, sin interrumpir todo el proceso cuando hay fallos del control central. • Sistemas de comunicación estándar LA N o W A N . • Facilidad de interfaz con la planta, • Mantenimiento fácil por secciones. • Disponibilidad de herramientas de ■est y mantenimiento. • Posibilidad de visualizar el proceso en tiempo real. • Programación fácil a nivel de seccio nes. • Flexibilidad para realizar cambios.
1.8. R E S U M E N A lo largo del capitulo hemos pre sentado un breve resumen histórico de la evolución de los sistemas de control industrial y hemos dado una serie de definiciones y cuadros comparativos que permiten situar la temática de este texto. Como resumen de todo ello cabe destacar la enorme transformación que ha sufrido el control industrial en las últimas décadas. La aparición de nuevas tecnologías, sobre todo en los campos de la elec trónica. informática y comunicaciones, constituyen un constante motor en el desarrollo y sofisticación de los siste mas automáticos de control, provocan do profundos cambios en la concep ción y diseño de los procesos y en sus métodos de control. Sin duda, podemos afirmar que los avances tecnológicos de las últimas dé cadas, en este campo, han superado con creces a los progresos que la humani dad había conseguido a lo largo de si glos. Dichos cambios son tan profun dos y se suceden con tal rapidez, que incluso para los especialistas en inge niería de control requieren un continuo
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replanteamienlo de los métodos de di seño empleados, a medida que se en cuentran disponibles nuevos equipos y se amplían las posibilidades de inter conexión entre ellos. En concreto, a nivel de unidad de control, la disponibilidad de autómatas programables, con una configuración adaptable prácticamente a cualquier necesidad y tamaño de instalación, hace que haya quedado descartado el em pico de sistemas lógicos o analógicos dedicados a funciones especificas. Esta evolución es fruto de la aparición de los circuitos integrados programables de uso general (microprocesadores. PL D , circuitos semipersonalizados y AS1C), que ofrecen un hardware estándar utilizable para una gran diversidad de apli caciones. La complejidad del sistema de con trol alcanzable con los autómatas, hace que sea imprescindible el empleo de métodos de diseño sistemáticos, frente al método casi intuitivo que se venía empleando en el diseño con relés. El propósito de esta primera parte del tex to es el de presentar dichos métodos sistemáticos, aprovechando las funcio nes y posibilidades que ponen a nues tra disposición los autómatas frente a los sistemas clásicos empleados hace unas décadas. Como ejemplo, haremos especial hincapié en el diseño mediante los denominados Gráficos Funcionales de Control de Etapas y Transiciones (G R A F C E T ), que permiten una gran sencillez en el proyecto y explotación de automatismos secuenciales.
1.9. R E F E R E N C IA S |l) Mayol. Albcrt «Autómatas Programables». Colección Produclica, núnt. 3. Marcomho. S.A (1987). |2| Michel. G «Autómatas Programables Indus triales: Arquitectura y aplicaciones». Marcombo. S A (1990).
2. DISEÑO DE AUTOMATISMOS LÓGICOS 2.1. IN T R O D U C C IÓ N La creciente complejidad de los pro cesos y la disponibilidad de controla dores más potentes y con mayor nú mero de funciones, obligan a replan tearse los métodos de diseño de los sis temas de control. Tradicionalmente, los automatismos a base de relés han sido diseñados con métodos intuitivos a base de ensayo y error, métodos que se han seguido em pleando en los autómatas programables, debido quizás a que muchos de ellos eran y siguen siendo programables a base de dibujar un esquema de contactos. Sin embargo, la disponibi lidad de estos y otros sistemas digitales más potentes, con bloques funcionales más complejos que un simple relé (re gistros de desplazamiento, contadores bidireccionales, comparadores, etc.) obliga al empleo de métodos de diseño más globales y sistemáticos. F.n defi nitiva, más adaptados a las nuevas tec nologías. Muchas de las variables y fun ciones que se manejan en los autó matas, por ejemplo, no son siquiera representables en un esquema clásico de relés. Por otro lado, en un mismo auto matismo coexisten elementos de tipo electromecánico, neumático, hidráuli
co, electrónico, etc., y esto hace ne cesario utilizar modelos y herramientas de diseño que permitan una represen tación y tratamiento común de todos ellos para poder hacer un estudio glo bal del sistema de control y la planta. La clave de un método de diseño «sistemático» y que permita un trata miento global del sistema, está preci samente en interesarse por los «esta dos» posibles de cada componente o bloque más que por su naturaleza fí sica. Aun asi cabe distinguir distintos tipos de bloques, que tendrán un tra tamiento con métodos específicos tal como se Índica a continuación. Un componente o bloque del cual nos interesa sólo distinguir dos estados posibles lo trataremos como un sub sistema Iónico. Por ejemplo, un inte rruptor abierto o cerrado, un circuito que conduce o no conduce, un motor en marcha o parado, una presión o temperatura mayor o menor que un li mite, etc. Se suele identificar el estado de un componente lógico con una va riable Iónica representada matemática mente por un 6/7, que toma sólo los valores 1 y 0. Por otro lado, un componente o blo que en el que interese distinguir varios estados posibles lo trataremos como subsistema ilinital. siempre que el nú
mero de estados posibles sea finito y. por tanto, numerable. Este conjunto de estados se representa por una variable numérica y cada estado viene represen tado por un nrupo ¡le bits. Finalmente, quedarían los compo nentes analónicos, en los que teórica mente habría que distinguir infinitos estados posibles. Sin embargo, muchos sistemas de control utilizan actualmen te métodos numéricos para el trata miento de magnitudes analógicas, trun cando su valor a un número limitado de cifras decimales (dependiendo de la resolución deseada) y, por tanto, li mitándose a tratar un número finito de estados. De esta forma, las magnitudes analógicas pueden ser tratadas median te sistemas de control digitales. Los au tómatas programables son un buen ejemplo de ello, ya que mediante con vertidores analógico/digitales suelen convertir las magnitudes analógicas en valores numéricos y, así, podemos de cir que se trata de un sistema digital que procesa magnitudes analógicas, con un cierto grado de resolución. La tabla 2.1 presenta de forma es quemática la división de los sistemas según el tipo de variables e indica cuá les son las herramientas de diseño em pleadas en el supuesto de utilizar con troladores de tipo lógico-digital.
Tabla 2.1. Modelos pura tratamiento genérico de automatismos. SISTEM A S AUTOMATICOS
PARTES
S IS T E M A DE
TIPOS
MODELO
TODO 0 NADA
2 ESTAD O S
CONTROL
V A R IA BLES
('T IL E S DE DISEÑO
L Ó G IC A S
F U N C . L Ó G IC A S
T IP O B IT 1o 0
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C O M P O N EN ! ES +
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D ISEÑ O D I AUTO M ATISM O S LÓ G ICO S
En este capítulo presentaremos los métodos de diseño específicos para sis temas lógicos y en el siguiente trata remos de los sistemas en que intervie nen variables numéricas. Los primeros se diseñan con métodos basados en el álgebra de Boole y requieren un cierto conocimiento del sistema de numera ción binario y de las operaciones con bits y registros, l iemos considerado que sobre estos temas básicos existe una bibliografía suficientemente amplia y detallada y. por tanto, en este texto nos limitaremos a dar unos resúmenes en ios anexos I y 2, remitiendo al lector a las referencias [1] y [2), por ejemplo, para más detalles sobre dichos lemas.
2.2. M O D E L O S Y F U N C IO N E S D E T R A N SFER EN C IA En el apartado anterior hemos in dicado ya la necesidad de métodos sis-
C O M PO N EN TE
£ 1á <1
VARIA BLES LÓGIC&S
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VARIABLES NUMERICAS
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0 - B o b in a str> ten sión
1 - Bobino con tensróo
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1 - T e m p e r a tu r a > X °C
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Figura 2. I. Modelos de sistemas lógicos.
0 - Nivel ¿ h 1 - N ivel
>h
0
- Caudal = 0
1
Cauda* > 0
N ivel =
xx x x
( m ^)
h s
xx * x ( m )
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** *
» (fn }/hl
Figura 2.2. Variables lógicas y numéricas. a)
b)
o
Modelo psqüema de reles
Modelo con puertas lógicas
LOD A AND B
A
B
Hl
II
S I
H
LODN C CRN D AND E OR LOD OUT 5
c)
Modelos con lista de instrucciones o diagrama de contactos utilizado en autóm atas 5 - A B + (C + D) •E
d)
Modelo m atem ático función lógica
m ediante
temáticos y herramientas de diseño que permitan un estudio global de los sis temas de control, con cierta indepen dencia de su naturaleza fisica. Dichos métodos se basan en el empleo de mo delos, entendiendo como tal cualquier tipo de representación de tipo mate mático o gráfico, que permita deducir el comportamiento del sistema ante unas condiciones de entrada determi nadas. Así, por ejemplo, los esquemas de relés o los esquemas lógicos a base de puertas son modelos gráficos de los sis temas que representan, en tanto que permiten predecir el comportamiento de los mismos. De la misma manera, la función o funciones lógicas que re lacionan las entradas con las salidas del mismo sistema constituyen un modelo matemático de éste. Extrapolando el criterio podríamos decir que el progra ma de un autómata es un modelo del sistema de control que implementa, ya
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que define perfectamente su compor tamiento. La figura 2.1 muestra, a titulo de ejemplo, algunos modelos habitual mente empleados en el campo de la automatización con tecnología eléctrica o electrónica. El concepto de modelo no es exclu sivo de los sistemas lógicos; en el pró ximo capítulo trataremos con modelos de sistemas digitales o incluso de blo ques analógicos. Por ejemplo, las ex presiones matemáticas que relacionan el par y la velocidad de un motor con la tensión y la corriente permiten ob tener un modelo del comportamiento del motor. Debemos aclarar que el modelo no depende estrictamente del componente o sistema, sino de lo que deseemos «observar» del mismo. Como ejemplo, la figura 2.2 representa una serie de componentes y algunas de las variables en las que podemos centrar nuestro In terés; en unos casos se trata de varia-
AUTÓM ATAS PftO O RAM ABLKS
el estudio del sistema de control desde dos puntos de vista: el análisis y la sín tesis. El análisis parte de un sistema pre viamente construido y pretende pre decir su comportamiento o, lo que es lo mismo, pretende obtener sus salidas, conocido su estado inicial y las entra das. El proceso a seguir, según se ilus tra en la figura 2.5, consta de los si guientes pasos:
Una vez establecidos estos principios fundamentales, podemos planteamos
• Identificar los componentes. • Conocer para cada uno el modelo de
Finura 2.3. Sistema de control con magnitudes y variables de distintos tipos.
ENTRADA
COMPONENTE
SA LID A
MODELO M A GN ITUD
T IP O DE V A R IA B L E S
«s
N U M É R IC A S
m a g n it u d
TIPO
MAGNITUD
T IP O
BUQ UE
Rum bo d eseado
A n a ló g ico
Rum bo seg uido
A nalóg ico
CAPTAD O R MAGNÉTICO
O rientación
A n a ló g ico
T e n sió n
A n a ló g ic o
c < 2 . Vp
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SE L EC T O R DE RUM BO
B o tó n m an d o
A n o ló g ico
T e n sió n
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N U M É R IC A S
A nalóg ico
T e n sió n
Ló g ico
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a) Dividir el sistema en bloques. E n un primer estudio, estos bloques pue den ser muy globales y posterior mente, cuando se avanza en el es tudio, pueden ser divididos a su vez en bloques más elementales, hasta llegar al nivel de componentes. b) De cada bloque nos interesan sólo las magnitudes de entrada y las magnitudes de salida. c) Cada magnitud de entrada o salida se representará por una variable. Es tas variables podrán ser de tipo ló gico o numérico, según la propiedad que interese observar. d) Hallar, para cada bloque, la función que relaciona las variables de entra da y de salida, denominada /'unción
(le transferencia, Dichas funciones podrán ser de tipo Iónico, algebraico o numérico, según la naturaleza del bloque que representen, e) A todos los efectos, dos bloques que tengan funciones de transferencia idénticas se considerarán idénticos, con independencia de los compo nentes que los formen e incluso de la tecnología empleada en su implementación.
> oc
bles lógicas, representadas por 0 y I y en otros casos de variables numéricas, representadas en sistema de numera ción decimal, binario, hexadecimal u otro. Así, por ejemplo, en el caso del motor, nos puede interesar simplemen te si está en marcha o parado, lo cual se representaría por una variable lógica, o podemos estar interesados en co nocer su velocidad y su par y entonces debemos utilizar variables numéricas para representar estas magnitudes. En un mismo sistema pueden mez clarse, y de hecho es común que asi suceda, variables de tipo lógico y de tipo numérico. Aún más, existen ope raciones con variables numéricas que pueden dar como resultado una varia ble lógica, como es el caso de las ope raciones de comparación ( > , ; > , etc.). Como ejemplo, en la figura 2.3 hemos representado un sistema completo de control de rumbo, donde se mezclan variables de distintos tipos. E l estudio de tales sistemas se hará dividiéndolos en subsistemas o bloques más simples y tratando cada parte con el modelo y los métodos de diseño que les corres ponda. F.I diseño sistemático, en contrapo sición a los métodos más o menos in tuitivos, pasa casi siempre por estable cer un modelo de tipo matemático y unas reglas de operación que no ad mitan ambigüedades. Por otro lado, la forma de hacer un tratamiento gené rico de todas las partes de un sistema, cualesquiera que sean sus componen tes y la tecnología empleada, se basa en los siguientes principios:
co m parad o r
A
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Ló g ico
C o n ta c to
B
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L ó g ico
C o n ta c to
L o g ic o
P r e s ió n
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EIECT RO V ÁLV UIA S
Tensión
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2.3. A U T O M A T IS M O S C O M B IN A C IO N A L E S Y SE C U E N C 1 A L E S
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Finura 2.4. Sistemas y modelos. FUNCION ES DE T RA N SFER EN C IA
SIS T E M A
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PREDICCIÓ N DEL COMPORTAMIENTO en tra d as
Figura 2.S. Análisis de un sistema. comportamiento (función de trans ferencia). • Identificar las entradas del sistema. • Determinar las salidas de cada uno de los componentes, según sus fun ciones de transferencia y las inter conexiones entre ellos. La síntesis plantea el problema a la inversa, es decir, se parte del compor tamiento deseado de un sistema (es pecificaciones), generalmente indican do la respuesta ante determinadas con diciones de entrada y se pretende di señar o construir un sistema que obe dezca a dicho comportamiento. El pro ceso sería el siguiente: Dar la especificación del sistema, in dicando las salidas deseadas ante de terminadas condiciones iniciales y entradas. Traducir dicha especificación a una función de transferencia global del sistema completo. Elegir componentes de función de transferencia conocida o programable y obtener la función de transfe rencia deseada.
resultar de una síntesis no es único, ya que posiblemente existirán multitud de combinaciones de componentes que en su conjunto den como resultado la fun ción de transferencia deseada. Como consecuencia, aun basando la síntesis en métodos sistemáticos, existirá siem pre una cierta indeterminación que de berá resolverse mediante criterios de tipo tecnológico o económico. Es en este punto precisamente donde la má quina programable puede aportar enor mes ventajas, ya que se trata de un componente con una configuración fí sica (hardware) estándar en el que po demos elegir la función de transferen cia mediante el software.
Los sistemas o bloques lógicos po demos dividirlos en dos grandes cate gorías: combinacionales y secucncialcs. Un sistema o bloque cnmbinacional es aquel cuyas salidas dependen úni camente del estado de sus entradas, con total independencia de cuál sea el es tado inicial de partida. Esta definición lleva implícito que la función o fun ciones de transferencia del sistema son simplemente funciones lógicas que re lacionan las salidas con las entradas mediante combinación Je los operadores «Y», «O» y «NO». El nombre combinacional se deriva precisamente del hecho que las variables de salida de penden exclusivamente de la combi nación de variables de entrada que se aplique. Un sistema secuencia/, en cambio, es aquel cuyas salidas dependen de las va riables de entrada y del propio estado inicial del sistema. Si tenemos en cuen ta que cualquier estado puede ser to mado como estado inicial, se despren de que el sistema ha de ser capaz de memorizar todos y cada uno de los es tados posibles. Dichos estados se memorizan mediante variables internas denominadas variables de estado. La denominación de sistema secuencial se debe precisamente a que el valor de las salidas depende de los estados de las entradas y de la secuencia anterior de estados en dichas entradas. Como ejemplo de sistema secuencial tomemos el circuito de la figura 2.7 y supongamos que se le aplica la siguien te sucesión de señales de entrada, par tiendo del estado inicial A = 0, B = 0. S = 0:
Figura 2.6. Síntesis de un sistema.
ESPEC IFIC A C IO N ES F U N C IO N E S DE T R A N S FE R EN C IA
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Yi s f
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Obsérvese que el sistema que puede
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S ÍN T E S IS
ELEC C IÓ N DE C O M PO N EN T ES COMBINACIÓN DE F U N C IO N E S DE T R A N S F E R E N C IA H A RD W A RE Y SO F T W A R E DEL S IS T E M A
AUTÓMATAS PftO O RAM ABLKS
1) 2) 3) 4)
A A A A
= = = =
1. B 0, B 0, B 0, B
=0 =0 = I =0
La tabla de la figura 2.7 muestra la evolución de la salida del sistema y en ella puede observarse que para com binaciones idénticas de entradas, A = 0. B = 0 por ejemplo, se tiene distinta sa lida, en concreto en el paso 2 se tiene S = 1 y en el paso 4 se tiene S = 0, a igualdad de entradas. Vemos, pues, que la salida no depende sólo de las entra das sino de la evolución anterior o, si se quiere, del estado inicial de partida. Desde un punto de vista estructural, los sistemas secuenciales están forma dos por interconexión de bloques combinacionales, pero aparece en ellos un elemento nuevo, una variable interna que se introduce nuevamente como entrada (la variable interna Y en el caso de la figura 2.7). Este tipo de variables internas hace que la respuesta del sis tema ya no dependa exclusivamente de
las entradas, sino que dependa también del estado interno, por lo cual se suelen llamar variables de estado. La figura 2.8 muestra la estructura más general de un sistema secuencial, que se conoce como estructura de Meuiy. Desde el punto de vista del modelo matemático, la función o funciones de transferencia de un sistema secuencial siguen siendo funciones lógicas, pero contienen variables internas que guar dan « memoria» del estado del sistema o, si se quiere, de su evolución ante rior. Precisamente este tipo de variables internas son las que marcan la diferen cia entre un sistema combinacional y un sistema secuencial. En el primero hemos dicho que la función de trans ferencia relacionaba salidas con entra das con los operadores «Y», «O» y «NO», en los secuenciales las salidas y las entradas están relacionadas por los operadores «Y», «O», «NO» y «M E M O RIA ». De hecho, los nombres de los operadores para la función memoria suelen llamarse 5£7'(memorizar un I)
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y R E S E T (memori/ar un 0). Obsérvese que, en el ejemplo de la figura 2.7. ha cen falta dos funciones lógicas para de finir la función de transferencia n una única función de tipo implícito, donde la salida aparece también en el segundo miembro. Hay que señalar también que la tabla incluida en la figura 2.7 no es propia mente una tabla de la verdad, sino una tabla de evolución de estados La dife rencia entre ambas es que en una tabla de verdad podemos deducir el estado de la salida sin más que elegir la fila correspondiente a la combinación de entradas. En cambio, en una tabla de evolución se indica una sucesión de es tados en que cada fila tiene como estado inicial la fila anterior. Cabe preguntarse ¿qué implica la existencia del nuevo operador que he mos llamado «memoria», desde un punto de vista tecnológico?; pues bien, esto quiere decir que para poder cons truir sistemas secuenciales con una de terminada tecnología debe disponerse en ella de una célula básica de memoria, capaz de ejecutar esta operación. A esta célula básica de memoria se le suele llamar también biesiable y suele estar formada por dispositivos lógicos combinacionales, inlerconectados de forma que exista un enclavamiento interno entre ellos. La propia figura 2.7 cons tituye un ejemplo de biestable cons truido a base de dos puertas lógicas NO-O. Obsérvese que el biestable es un elemento con dos entradas llamadas S E T y R E S E T y con una salida. Po demos encontrar también un ejemplo de biestable, en el caso de los relés, con el esquema clásico de un paro-marcha como el que muestra la figura 2.9. Debemos pues replantear cuál es la estructura básica de un bloque lógico dentro de un sistema de control. Hasta ahora habíamos considerado cada blo que como una caja en la que intro ducíamos entradas y obteníamos sali das. Después de lo dicho para los sis temas secuenciales deberemos añadir un nuevo tipo de variables, las variables internas de estado. El concepto de variable interna es importante en el mundo de los autó matas programables y se refiere de for ma general a variables que no tienen conexión con el exterior. Existe tam bién un paralelismo en los automatis-
DISEÑO DK AUTOMATISMOS LÓOICOS '
- s con contactos con aquellos relés .ue no tienen interconexión con in'ruptores o pulsadores de mando ni . m accionamientos externos. Sin em- -go. no debe confundirse el concepto
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de variable interna de un automatismo con el de variable de estado que hemos definido en los sistemas secuenciales. La figura 2.10 muestra un esquema con los distintos tipos de variables que in
tervienen en un sistema y, a continua ción, se dan las definiciones. Las entradas de un bloque son va riables independientes, es decir, su es tado varia de acuerdo a unas condicio nes u órdenes externas, no controladas por el propio bloque. No se descarta que dichas variables puedan ser a su vez salidas de un bloque anterior o de pendientes a su vez de otras, pero a efectos del modelo del bloque que es tudiemos tendrán el tratamiento de va riables independientes. Las variables internas son aquellas que elabora el sistema a partir de las entradas y eventualmente de otras va riables internas. Dentro de las variables internas podemos distinguir dos tipos: las dependientes sólo de las entradas o combinaeionales y las de estado. Finalmente, las variables de salida son, en el caso más general, variables dependientes de las entradas y de las va riables de estado. Obsérvese que si un bloque forma parte de un sistema más amplio y sus entradas proceden de otro bloque pre vio pasarían a tener la condición de va riables internas para el sistema. Así por ejemplo, sí en la figura 2.11 estudiamos el bloque B individualmente, el con junto de señales Z 4 y X8 serían las en tradas y Z „ e Yh serían las salidas; pero en este mismo bloque, considerado como parte del sistema completo, todas las variables serían internas. En realidad, si se analizan las acti vidades de un proceso cualquiera, po dremos encontrar casi siempre los dos tipos de acciones; combinaeionales y secuenciales y, en consecuencia, los sis temas como tales suelen ser híbridos, conteniendo parte com binacional y parte secuencial. A titulo de resumen de los conceptos analizados en este apartado, la labia 22
c a r a c t e r ís t ic a
ESEN CIAL
Salidas independientes del estado inicial
Salidas dependientes del estado inicial
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AUTÓMATAS M tO Ó R A M A ftLIS
muestra las diferencias esenciales entre sistemas combinacionales y secuenciaíes.
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2.4. D IS E Ñ O D E A U T O M A T IS M O S C O M B IN A C IO N A L E S El término «diseño» con el que he mos titulado este apartado suele to marse como sinónimo de «síntesis», es decir, obtención de un sistema físico que responda a unas ciertas especifi caciones. Sin embargo, las herramien tas de análisis y de síntesis suelen ser las mismas: concretamente en el caso de sistemas lógicos combinacionales, el álgebra de Boole (véase anexo I). En el apartado anterior hemos in dicado que los sistemas combinacio nales quedan perfectamente definidos mediante funciones de transferencia que relacionan cada salida con las en tradas mediante los operadores «Y». «O» y «NO». El proceso de síntesis em pezará, pues, por obtener una tabla de verdad que refleje la relación de cada salida con las entradas, de acuerdo con las especificaciones. Posteriormente, deberá traducirse cada una de dichas tablas a una función lógica y, a con tinuación, deberán implementarse las funciones lógicas mediante componen tes cableados o programables. Para concretar algo más el método vamos a desarrollar un ejemplo apli cado al diseño de un sistema de control de una machacadora de áridos (figura
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Figura 2.12. Ejemplo de diseno de sistema combinacional.
2. 12).
Supóngase que las especificaciones del sistema son las siguientes:
y también si M2 está en marcha y se para M3.
— El motor M3 se pone en marcha con un interruptor M. — El motor M2 se pone en marcha siempre que esté en marcha M3. — El motor M I se pone en marcha si lo está M2 y no se detecta so brecarga en la machacadora (relé R1 con un contacto normalmente cerrado). — Cada motor está además prote gido por un relé térmico: R T I, RT2 y RT3, respectivamente. El contacto del relé térmico estará normalmente cerrado si no hay sobrecarga. — Debe sonar una alarma si M I está en marcha y se paran M2 o M3
Las fases del diseño serán las si guientes: a ) Identificación tic entradas i salidas del sistema. En nuestro ejemplo, las entradas y salidas serán las indicadas en la tabla de la propia figura 2.12. b) H allar ana tabla de verdad para cada salida. En nuestro caso, dichas tablas se in dican en la tabla 2.3.
tj Deducir las ecuaciones Iónicas. Las ecuaciones lógicas se deducen de las tablas de verdad, sin más que apli
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car los métodos indicados en el anex I. En nuestro caso, las ecuaciones so las siguientes: a) b) c) d)
K3 K2 K.1 AL
=M = K3 = K3 = K2
RT3 ■RT2 RI • K2 -R T I • K3 + K l
K2
Obsérvese que la ecuación d se h: obtenido después de una simplifica ción, pero, como se dice en el anexa I, no siempre es preciso llegar al má ximo grado de simplificación. d) Deducir el esquema de cableado o i programa del automatismo. A partir de las ecuaciones lógicas, l» implementación depende ya de la leo nologia con la cual se quiera construí*
D ltC Ñ O D I AUTO M ATISM O S LÓ O ICO S
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1¡ indo motor M3
b) Mando motor M2
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K3
Manilo motor M I
d) Mando alarma A i.
2.3. Tablas de verdad correspondientes aI ejemplo de la figura 2.12. . automatismo (contactos, neumática,
7 -.rtas lógicas, autómata programable, i No obstante, de las ecuaciones * ¿Mas puede deducirse de forma in- cdiala la interconexión de sistemas anisados o el programa de un autó-aia. Un paso intermedio que puede * jdar a la implementación práctica, • nre todo en sistemas cableados, son • ? esquemas utilizando los símbolos ¿icos convencionales definidos en el . " íx o I. La figura 2.13 muestra dicho r-quema para el ejemplo que hemos Jesarrollado. Obsérvese que, a pesar de que los
contactos de los relés térmicos son nor malmente cerrados, en la expresión ló gica aparecen sin complementar. Efec tivamente esto es asi porque el sistema de control debe recibir un I lógico para indicar que no ha disparado el térmico. La detección de condiciones de alarma mediante contactos normalmente ce rrados es una práctica común para ase gurar que en caso de rotura del cable el sistema interpretará una condición de alarma y no se quedará sin protec ción como podría ocurrir en el caso de utilizar un contacto normalmente abierto.
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2.5. D IS E Ñ O D E A U T O M A T IS M O S S E C U E N C IA L E S E n la práctica son muchos los pro cesos que implican la realización de una serie de actividades u operaciones, si guiendo una determinada secuencia. Dichas actividades y los dispositivos empleados para ejecutarlas pueden ser de índole muy diversa, incluyendo par tes lógicas, analógicas, cálculos arit méticos, manipulación de datos, etc., pero el desarrollo del proceso consiste casi siempre en una sucesión encade nada de operaciones, cuya evolución se controla mediante unas condiciones de tipo lógico, que indican si el proceso puede continuar y cómo. Un diagrama de flujo genérico para representar el funcionamiento de tales sistemas po dría ser el de la ligura 2.14. Los automatismos que controlan este tipo de procesos no puede decirse que sean puramente secuenciales, sino que combinan partes combinacionales con partes secuenciales dando un sistema híbrido. En realidad un sistema pura mente secuencial no existe ya que, es tructuralmente. los sistemas secuencia les están formados por bloques com binacionales y células de memoria (biestables) interconectados, tal como se indicó en la figura 2.8. No debe, por tanto, extrañarnos que una de las he rramientas básicas del diseño secuen cial sea una vez más el álgebra lógica, aunque, como se verá, los métodos pu ramente algebraicos no bastan por sí solos para el estudio completo de tales sistemas. Desde los años setenLa han apare cido numerosos útiles para el diseño de sistemas lógicos secuenciales. Algunos de ellos, presentados por diversos gru pos de investigación, son de tipo analítico-teórico y otros, menos rigurosos, son de tipo más práctico. Los primeros suelen tener poca implantación por su relativa complejidad para la mayoría de los usuarios y los últimos suelen ser, en general, muy dependientes de tec nologías particulares y, por tanto, no aplicables de forma general. Uno de los métodos teóricos más co nocidos para resolver sistemas secuen ciales es et método de HuíTmann (ver referencias [ 11" y [2]), que tiende a la obtención de las ecuaciones de un sis tema lógico con el mínimo número de
AUTÓM ATAS M O O A A M A BLU
funcionalismo o introducir modifica ciones en la fase de explotación. A partir de 1977 y gracias a la co laboración entre A F C E T y A D E P A (Agence pour le DÉveloppement de la Productique Appliquée) se crearon una serie de útiles metodológicos, entre los que destaca el G E M M A (Guide d'Etude des Modes de Marche et Arrét), para apoyar el G R A F C E T como método no sólo descriptivo, sino como herramien ta de diseño. En 1982 el trabajo fue recogido por un grupo de trabajo de A F N O R , or ganismo encargado de la normalización en Francia, compuesto por miembros
componentes. Pero su aplicación re sulta, en general, compleja para siste mas grandes y el automatismo resul tante es difícil de interpretar y analizar una vez alcanzada la simplificación de dichas ecuaciones. Esto dificulta la comprensión y el posterior manteni miento del automatismo por parte de no especialistas. Otros útiles de tipo más práctico no son del todo adecua dos, o resultan incompletos, por cuanto centran más el interés en la forma de realización del sistema que en el fun cionamiento propiamente dicho. Ante la necesidad de unificar y ra cionalizar el lenguaje para describir los sistemas lógicos y en particular la parte secuencial de los mismos, la A F C E T (Association Fran<;aise pour la Cybernétique Économique et Technique) creó una comisión formada por varios organismos universitarios, fabricantes y usuarios con objeto de armonizar los criterios de cada uno de estos colecti vos y obtener un método de represen tación del funcionamiento de sistemas lógicos independiente de la materiali zación tecnológica de los mismos. El resultado de los estudios de dicha co misión fue un útil de tipo gráfico, apo yado por métodos de álgebra lógica, que una vez depurado ha dado lugar al denominado G R A F C E T (G R Á fico
Funcional de Control de Etapas y Transiciones). El método de diseño que vamos a emplear en este texto para sistemas ló gicos. incluyendo parte secuencial, es precisamente un método basado en el G R A F C E T , cuya utilidad en el análisis y síntesis de dichos sistemas se verá en los siguientes apartados.
2.6. G R A F C ET : R E S U M E N H IS T Ó R IC O El G R A F C E T nació como resultado de los trabajos de la A F C E T , iniciados en la década de los setenta. En prin cipio se pretendía satisfacer la necesi dad de disponer de un método de des cripción de procesos, con total indepen dencia de la tecnología, mediante un gráfico funcional que pudiera ser in terpretado por no especialistas en au tomatización. El gráfico funcional per mite unificar la forma de descripción del proceso para técnicos de distintos campos, desde el ingeniero de orga nización o de producción, que define las necesidades del automatismo, pa sando por el de diseño, que debe implcmentar el sistema de control y los accionamientos, hasta el técnico de mantenimiento, que debe cuidar de su
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D ISEÑ O DE AUTO M ATISM O S LÓ O ICO S
de U T E , C N O M O . U N M y de otros organismos relacionados con la indus tria, la automatización y la enseñanza culminado con la publicación de la Norma N F C-03-1904. Esta norma fue también adoptada por IE C en 1988, con el número 1EC-84H y título «Établissement des dlagrammes fonctionnels oour svstémes de commande». En la actualidad, diversos autómatas orogramables incorporan algunas ins trucciones de programación que per miten introducir directamente el grafo ce G R A F C E T . En otros casos se dis pone de software capaz de compilar un ¿rafia G R A F C E T al lenguaje de la má.uina, permitiendo en ambos casos una aran flexibilidad y rapidez de diseño, con ventajas sustanciales en las fases de . erificación, explotación o eventual modificación del automatismo. A pesar de ello no debe confundirse el G R A F C E T con un lenguaje de programación. FJ gráfico funcional, complementado ._on los métodos del álgebra de Boole, -'ermite ir más allá de la simple des cripción c interpretación gráfica de un proceso y se ha convertido en una po tente herramienta de diseño de siste mas lógicos, con unas regias bastante simples. 2.7. D IS E Ñ O BA SA D O EN G R A FC ET Los principios que inspiraron la crea ción del G R A F C E T y en los que se basa su aplicación son los siguientes: a) Debe caracterizarse el funciona miento del automatismo con total independencia de los componentes ;on los que vaya a ser construido. Esto equivale a centrar nuestro in terés no tanto en la estructura física o en la tecnología empicada para ¡mplementar el automatismo, sino en la «función» que debe realizar. b) El conjunto de un sistema auto mático se divide en dos partes: parle de control (P C ) y parte operativa (PO ). La parle de control compren de todo aquello que contribuye a la automatización del proceso y la par te operativa incluye el resto del mis mo. El conjunto está relacionado con e! medio exterior a través de un diálogo con el operador y comuni caciones con otros automatismos
que operen en el mismo contexto, (figura 2.15) c) El elemento fundamental de un proceso es la «operación» (deno minada etapa en el lenguaje de G R A F C E T ), entendiendo como tal una acción realizada por el auto matismo. Obsérvese que en una pri mera aproximación podemos dividir el proceso en unas pocas operacio nes relativamente complejas (por ejemplo: taladrar, roscar, cambiar herramienta, etc.), llamadas tam bién macroetapas (apartado 2.10). Estas operaciones complejas podrán ser subdivididas a su vez en ope raciones más elementales a medida que avanzamos en el nivel de de talle. Por ejemplo, una operación de taladrar puede subdividlrse en otras más elementales como: impulsar pieza, bloquear pieza, giro de broca, aproximación de broca, etc. d) Debe dividirse el proceso en ma croetapas y éstas en etapas más ele mentales, hasta conseguir que las acciones a realizar en cada una de ellas dependan sólo de relaciones combinacionales entre entradas y salidas. Cada una de estas etapas elementales tendrá asociada una va riable de estado. e) Establecer un gráfico de evolución que indique la secuencia de ope raciones (secuencia de etapas) y las condiciones lógicas para pasar de
una a otra (denominadas candiaones ile transición en el lenguaje de G R A F C E T ). Como resultado de esta lase se obtienen las ecuaciones lógicas de las variables de estado y, por tanto, queda resuelta la parle secuencial del automatismo. 0 Establecer para cada operación ele mental (etapa) las relaciones lógicasentre entradas y salidas, utilizando eventualmente otras variables inter nas combinacionales. g) Finalmente, ¡mplementar el sistema utilizando tantos biestables como variables de estado y cableando o programando las relaciones lógicas obtenidas en las fases e y f. La figura 2.16 muestra las lases del diseño en forma de diagrama de flujo. Es importante resaltar que el G R A F C E T no sólo es útil como herramienta de diseño, sino también en las fases de especificación y posteriormente en la fase de explotación y mantenimiento. Obsérvese que el método está ba sado en una pregunta clave, que per mite identificar la parte secuencial de un proceso; la pregunta es: ¿cuántos estados debe metnorizar el sistema, para poder fijar su comportamiento posterior, partiendo de cualquier esta do inicial? La respuesta a esta pregunta nos permitirá identificar las etapas y, en consecuencia, las variables de estado. El número de estados distintos en un
Figura 2.15. Estructura del sistema automatizado. PA RTE
DE CONTRO!
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P A R T E O PERA T IVA
AUTÓM ATAS PRO O RAM ABLKS
El G R A F C E T es, como se ha dicho, un modelo de representación gráfica del funcionamiento de un sistema au tomático. Dicho modelo está definido basándose en los siguientes elementos y reglas de evolución que se relacionan a continuación: A)
proceso no puede ser infinito, sino que se repiten de forma más o menos cí clica una serie de estados equivalentes y, por tanto, el número de etapas es finito; de lo contrario, nos encontraría mos ante un sistema de comporta miento aleatorio. Aparece aquí el concepto de-estados equivalentes, que se definen de la si guiente forma; Dos estados son equi valentes si la evolución posterior del sistema a partir de ellos y para cual quier combinación de entradas es la misma. En el G R A F C E T los estados equivalentes se asocian a una única eta pa y en el modelo algebraico quedarán representados por una misma variable de estado.
Al contrario de lo que ocurre con otros métodos, como el de Huffmann, el método basado en G R A F C E T no pretende minimizar el número de va riables de estado, por lo que puede no resultar óptima desde el punto de vista de minimizar el hardware. Sin embar go, el coste y volumen de un sistema dependen cada vez menos del número de variables empleadas, sobre todo si se emplean autómatas programables y, en cambio, adquieren cada vez más im portancia otros aspectos como el pro pio coste de diseño, tiempo de desa rrollo de software, fiabilidad y facilidad de test y mantenimiento, aspectos que permite optimizar el método propues to.
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E L E M E N T O S G R Á F IC O S D E BA SE. Estos elementos constituyen los símbolos a partir de los cuales se dibuja el gráfico funcional. Los símbolos básicos son los siguientes (figura 2.17): A l ) Las etapas, que representan cada uno de los estados del sistema. Cada etapa debe co rresponder a una situación tal que las salidas dependan úni camente de las entradas o, di cho de otro modo, la relación de entradas y salidas dentro de una etapa es puramente combinacional. E l símbolo em pleado para representar una etapa es un cuadrado con un número o símbolo en su in terior que la identifica y even tualmente una etiqueta. Se denominan etapas inicia les aquellas en que se posiciona el sistema al iniciarse el proceso por primera vez. Las etapas iniciales se representan por un cuadrado con doble lí nea. A2) Las lineas de evolución, que unen entre sí las etapas que representan actividades con secutivas. Las lineas se enten derán siempre orientadas de arriba hacia abajo, a menos que se represente una flecha en sentido contrario. A3) Las transiciones, que represen tan las condiciones lógicas ne cesarias para que finalice la ac tividad de una etapa y se inicie la de la etapa o etapas inme diatamente consecutivas. Estas condiciones lógicas se obten drán por combinación de va riables denominadas receptivdades. Gráficamente se repre-
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DISKÑO D I AUTOMATISMO! LÓGICOS
sentan las transiciones por una linea cruzada sobre las lincas de evolución (figura 2.17). A4) Los reenvíos son símbolos en forma de flecha que indican la procedencia o destino de las lincas de evolución. Las fle chas de reenvió permiten frac cionar un gráfico o evitan di bujar líneas de evolución con excesivos cruces. A5) Dos lineas de evolución que se crucen debe interpretarse, en principio, que no están unidas. Las reglas para cruces y bifur caciones se explican en detalle en el apartado de estructuras del G R A F C E T . A6) Cuando se recorre el gráfico de evolución, por cualquier ca mino posible, deben alternarse siempre una etapa y una tran sición. La regla básica de sintaxis del G R A F C E T es que entre dos etapas debe existir una y sólo una condición de transi ción, bien entendido que ésta puede venir expresada por una función lógica combinacional todo lo compleja que sea ne cesario, siempre que dé como
resultado un bit <1=condición verdadera, O=condición falsa). Téngase en cuenta que el gráfico funcional representa en forma es tática un conjunto de situaciones posibles. Es posible, sin embargo, representar la situación dinámica en un instante dado, indicando qué etapa o etapas están activas y cuáles están inactivas. E l simbolismo uti lizado para ello consiste en marcar con un punto las etapas activas (fi gura 2.18). Cabe señalar, finalmente, que los números de las etapas nada in dican respecto a su orden de eje cución. sino que simplemente tie nen carácter de id en tificación . Como consecuencia, pueden nu merarse las etapas de la forma que se desee, sin que ello tenga ningún significado desde el punto de vista funcional. B ) M E N S A JE S D E IN T E R P R E T A CIÓ N. Estos mensajes pueden ser tex tos, símbolos o ecuaciones lógicas asociados a las etapas o transicio nes para indicar la actividad desa rrollada o las relaciones entre va-
Figura 2.18. Estado instantáneo de un proceso, indicado por las etapas activas e inactivas. riables del sistema que deben cum plirse. Pueden distinguirse dos ti pos de mensajes: B l ) Mensajes de acción asociados a cada etapa. Indican cuál es la actividad a desarrollar en dicha etapa cuando esté activa (ver reglas de evolución), bien sea en forma de texto o en forma de ecuaciones lógicas que in diquen la relación salidas-en tradas (figura 2.17). B2) Mensajes de receptividad aso ciados a cada transición. Estos mensajes indican las condicio nes lógicas necesarias y sufi cientes para pasar de cada eta pa a la consecutiva o conse cutivas (figura 2.17). C ) R E G L A S D E EV O LU C IÓ N . Estas reglas permiten definir e in terpretar de forma univoca el com portamiento dinámico del sistema. Las hay que hacen referencia a las etapas y otras a las transiciones, por lo que algunas resultan redundan tes entre sí. A continuación damos una lista de las esenciales: C 1) Cada etapa tiene asociada una variable de estado X i de tipo bit. C2) Se distinguen dos posibles es tados de una etapa: activa o inactiva. Diremos que una eta pa está activa cuando su varia-
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sentan las transiciones por una linea cruzada sobre las líneas de evolución (figura 2.17). A4) Los reenvíos son símbolos en forma de flecha que indican la procedencia o destino de las líneas de evolución. Las fle chas de reenvío permiten frac cionar un gráfico o evitan di bujar lineas de evolución con excesivos cruces. A5) Dos líneas de evolución que se crucen debe interpretarse, en principio, que no están unidas. Las reglas para cruces y bifur caciones se explican en detalle en el apartado de estructuras del G R A F C E T . A6) Cuando se recorre el gráfico de evolución, por cualquier ca mino posible, deben alternarse siempre una etapa y una tran sición. La regla básica de sintaxis del G R A F C E T es que entre dos etapas debe existir una y sólo una condición de transi ción, bien entendido que ésta puede venir expresada por una función lógica combinacional todo lo compleja que sea ne cesario, siempre que dé como
resultado un hit (l=condición verdadera, O=condición falsa). Téngase en cuenta que el gráfico funcional representa en forma es tática un conjunto de situaciones posibles. Es posible, sin embargo, representar la situación dinámica en un instante dado, indicando qué etapa o etapas están activas y cuáles están inactivas. El simbolismo uti lizado para ello consiste en marcar con un punto las etapas activas (fi gura 2.18). Cabe señalar, finalmente, que los números de las etapas nada in dican respecto a su orden de eje cución, sino que simplemente tie nen carácter de id entificación . Como consecuencia, pueden nu merarse las etapas de la forma que se desee, sin que ello tenga ningún significado desde el punto de vista funcional. B ) M E N S A JE S D E IN T E R P R E T A CIÓN. Estos mensajes pueden ser tex tos, símbolos o ecuaciones lógicas asociados a las etapas o transicio nes para indicar la actividad desa rrollada o las relaciones entre va-
;ura 2.17. Elementos gráficos Jel GRAFCET. x
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Figura 2.18. Estado instantáneo de un proceso, indicado por las etapas activas e inactivas. riables del sistema que deben cum plirse. Pueden distinguirse dos ti pos de mensajes: B l ) Mensajes de acción asociados a cada etapa. Indican cuál es la actividad a desarrollar en dicha etapa cuando esté activa (ver reglas de evolución), bien sea en forma de texto o en forma de ecuaciones lógicas que in diquen la relación salidas-en tradas (figura 2.17). B2) Mensajes de receptividad aso ciados a cada transición. Estos mensajes indican las condicio nes lógicas necesarias y sufi cientes para pasar de cada eta pa a la consecutiva o conse cutivas (figura 2.17). C ) R E G L A S D E EV O LU C IÓ N . Estas reglas permiten definir e in terpretar de forma unívoca el com portamiento dinámico del sistema. Las hay que hacen referencia a las etapas y otras a las transiciones, por lo que algunas resultan redundan tes entre sí. A continuación damos una lista de las esenciales: C l) Cada etapa tiene asociada una variable de estado X i de tipo bit. C2) Se distinguen dos posibles es tados de una etapa: activa o inactiva. Diremos que una eta pa está activa cuando su varia-
A U TÓ M A TA ! PftO O ftA M A BLKI
ble de estado vale 1 e inactiva cuando vale 0. C3) Denominaremos arranque en frío a la inicialización de un proceso automático sin guar dar memoria de ninguna si tuación anterior. La orden de arranque en frío puede pro ceder de un operador humano o de un sistema automático je rárquicamente superior (figura 2.19). Después de un arranque en frío se activan todas las etapas iniciales y quedan inactivas to das las demás. C4) Denominaremos arranque en caliente a la reinicialización de un automatismo cuando éste guarde memoria de alguna si tuación anterior. Esta situación suele corresponder a un rea rranque sin pérdida del con texto anterior, es decir, man teniend o m em orizadas las variables de estado del pro ceso. En un arranque en caliente pueden activarse las etapas ini ciales o mantener el contexto o estado anterior al arranque en caliente. Esta decisión suele tomarla una parte específica del automatismo destinado a ejecutar lo que se denomina una tarea previa. C5) Durante la evolución normal del proceso, una etapa no ini cial se activará cuando esté ac tivada la etapa anterior y se cumplan las condiciones de transición entre ambas. C6) Cualquier etapa se desactiva cuando se cumplan las condi ciones de transición a la si guiente o siguientes y dicha transición se haya efectuado. En el gráfico de la figura 2.18, por ejemplo, si se cumple la c o n d ic ió n de t r a n s ic ió n T I 1/12, se activaría la etapa 12 y se desactivaría la etapa 11. C7) Una transición puede encon trarse en una de las cuatro si tuaciones siguientes (figura
íi
O PER A D O R
10 TU?
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3
Marcha Tarea N°10
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Autom atism o Escla vo
A utom ansm o Maestro
Figura 2.19. Ejemplos de inicialización por operador humano o por automatismo maestro. Validada: La etapa o etapas inmediatamente anteriores es tán activas, pero no se cumple la condición lógica de transi ción. Franqueable: La etapa o eta pas inmediatamente anteriores están activas y se cumple la condición lógica de transición. Esta es únicamente una situa ción transitoria, pues dicha transición será autom ática mente franqueada, según C9. Franqueada: Se ha activado la etapa o etapas inmediata mente siguientes y se han des activado la etapa o etapas in mediatamente anteriores.
C8) Sólo se podrá franquear una transición si ésta está previa mente validada. C9) Toda transición franqueable será inm ediatam ente fran queada. CIO) Si hay varias transiciones fran queables sim ultáneam ente, serán franqueadas sim ultá neamente. C 1 1) El franqueo de una transición implica automáticamente la desactivación de todas las eta pas inmediatamente anterio res. C12) Si en el curso de funciona miento de un automatismo una etapa debe ser simullá-
Finura 2.20. Estados posibles de una transición.
2
2
T2/3=0 o i
2
2 •
• TZ/3 = 0
T2I3: 1
T2/3= Gul
2.20 ):
Na validada: La etapa o eta pas inmediatamente anteriores o siguientes no están activas.
o) Transición no validada
b) Transición valid ad a
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el Transición franqueable
d) Transición franqueada
>D IS IÑ O D I AUTO M ATISM O S LÓ G ICO S
neamente activada y desacti vada, dicha etapa permane cerá activada. Esta regla es un convencio nalismo para resolver casos de indeterminación, pero es muy difícil de llevar a la prác tica ya que en automatismos programables, por ejemplo, la respuesta de un S E T y un R E S E T simultáneos suele de pender del orden de progra mación, pero en automatis mos cableados puede depen der de una «carrera crítica» en la que juegan los tiempos de respuesta de los componen tes. Es preferible, pues, evitar que una etapa pueda ser ac tivada y desactivada al mismo tiempo. Como consecuencia de esto se verá más adelante que hay que imponer ciertas reglas «de coherencia» no explíci ta d a s por el G R A F C E T . (Com o ejemplos véanse la re gla A del apartado 2.11.1 y la C del apartado 2.11.3) É 13) El gráfico de evolución ex presado en G R A F C E T debe ser siempre cerrado, sin dejar ningún camino abierto. En efecto, tal circunstancia mos traría una incoherencia o una situación en la que el proceso es incapaz de continuar. Na turalmente pueden existir si tuaciones en que la salida sea inicializar el proceso median te alguna señal externa. P R IN C IP IO S C O M P L E M E N T A RIO S. Existen otra serie de reglas re lativas a la forma de expresar el diagrama funcional y a su forma de interpretarlas que se irán introdu ciendo a medida que estudiemos las distintas estructuras posibles. Sin embargo, recogemos aquí una serie de principios que no pueden considerarse propios del G R A FC R T sino genéricos para cualquier automatismo secuencial:
D I) Denominaremos evento a cual quier situación en la que se produzca el cambio de al me-
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AUTÓMATAS PROORAMAftLKS
llar un ejemplo. Se traía del diseño de un automatismo para control del ma nipulador de la figura 2.21. Es intere sante resaltar que en una primera fase no estarían decididos todavía cuáles son los accionamientos ni los sensores que se han representado en el dibujo.
/." F A SE : G R A FC ET FU N C IO N A l. E n esta fase se seguirán los pasos in dicados en el apartado 2.7. La figura 2.22 muestra el diagrama G R A F C E T tal y como lo concibe el ingeniero de producción, es decir, como una simple sucesión de acciones a desarrollar, sin definir la forma ni los medios emplea dos para ejecutarlas. En dicho diagrama no se han detallado deliberadamente los procedimientos de arranque y paro, puesto que dichos procedimientos re quieren estructuras de G R A F C E T más complejas que las que hemos visto has ta el momento. El proceso se presenta, pues, como una sucesión de etapas in dicando al lado de cada una las accio nes a desarrollar y entre ellas las con diciones de transición.
Figura 2.22. GRAFCET descriptivo del proceso secuencial.
2 " F A SE G R A FC ET CON SE N SO R ES Y A C C IO N A M IEN T O S
A partir del diagrama descriptivo de la figura 2.21, el técnico en automatis mos puede decidir cuáles son los ac cionamientos destinados a ejecutar las distintas operaciones (cilindros, moto res, electroválvulas. etc.) y los sensores (pulsadores, finales de carrera, capta dores, etc.) destinados a suministrar las receptividades, que nos permitirán for mular las condiciones de transición. El resultado seria el G R A F C E T de la fi gura 2.23. Obsérvese que estructuralmente los diagramas de las figuras 2.22 y 2.23 son idénticos, pero en el último se entra ya en el detalle de cuál es la tecnología empleada para implementar el auto matismo. Hay que indicar también que aunque en el ejemplo se trata de un proceso gobernado por señales digita les, puede aplicarse el método a pro cesos con señales de tipo analógico o cálculos aritméticos, siempre que las condiciones de transición sean de tipo lógico (pueden ser, por ejemplo, com paraciones de variables analógicas con valores limites, resultados de operacio nes aritméticas o cálculos más o menos complejos).
M ARCHA
3.“ FA SE : D ISEÑ O D E L SIST EM A D E CO N TRO L
U na vez obtenido el gráfico de con trol, conteniendo todos los acciona mientos y sensores, éste puede ser uti lizado para el diseño del sistema de control, con los componentes de una determinada tecnología. En nuestro ejemplo hemos explicitado el diseño mediante puertas lógicas y biestables, resultando el esquema ló gico de la figura 2.24. Hemos elegido esta representación por considerar que el logigrama obtenido es lo suficien temente genérico para poder aplicarlo a todo tipo de dispositivos, desde los circuitos lógicos programables (P L D , P L A , L C A , E P L D . etc.), los autómatas programables o incluso para poder implementarlo a base de relés. El proceso de diseño consta de dos partes; a) Diseño de la parte secuencial. que comprende la estructura de etapas
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Figura 2.2S. GRAFCET con accionamientos y sensores. y las condiciones de transición que las unen. b) Diseño de la parte combinacional. que comprende todas las acciones a ejecutar dentro de cada etapa. A ) Diseño de la parte secuencial
El método consiste en asignar a cada etapa un biestable de tipo R-S (BO a Bh en nuestro ejemplo), cuyas condiciones de «set» y «reset» se determinan a par tir de las condiciones de transición in dicadas en el gráfico. — Condiciones de «set» del biestable de la etapa X: La activación del biestable de una etapa X tiene lugar cuando la etapa o etapas previas están acti vadas y se cumplen las condicio nes de transición entre dichas eta pas y la etapa X. — Condiciones de «reset» del biestable tle la etapa X : La desactivación del biestable de una etapa tiene lugar cuando la etapa o etapas posteriores que dan activadas.
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O lflÑ O D I AUTOMATISMO! LÓGICOS
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cada una de las salidas a controlar son:
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El esquema de puertas puede verse en la figura 2.246. En este caso, las acciones a desarro llar dentro de cada etapa resultan sim ples, pero en un caso general pueden resultar todo lo complejas que sea ne cesario mientras se trate de acciones puramente combinacionales.
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Esquem a de la parte secuencia!
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finura 2.24. Esquema lógico del automatismo. Asi, en nuestro ejemplo, la etapa 1 puede resultar activada a partir de la etapa 0 o de la etapa 6, con las co•respondienles condiciones de transi ción. Esto queda expresado por la ecua ción lógica: S E T Q I = QO S i
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La desactivación de la etapa 1, debe producirse tan pronto como se active la etapa 2; por tanto, la condición lógica es: R E S E T Q1 = Q2 Aplicando este procedimiento a cada una de las etapas, se obtiene el esque-
ma lógico de la parte sccuencial del proceso (ver figura 2.24o, para el ejem plo que estamos desarrollando). B ) Diseño de lo parle atmhinacionnl
En esta fase se diseñan las acciones a desarrollar en cada etapa del proceso y se obtiene el esquema lógico, utili zando las salidas de los biestables y eventualmente otras condiciones adi cionales. Los procedimientos emplea dos para obtener las ecuaciones lógicas serán en este caso los clásicos del ál gebra de Boole para sistemas combi nacionales. En el ejemplo que nos ocupa, ten dremos que las ecuaciones lógicas para
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Cuando se aplican las técnicas del G R A F C E T a la solución de procesos complejos, se empieza por representar un diagrama con las líneas principales a ejecutar en el proceso, definiendo grandes bloques de acciones denomi nados macroetapas y sin desarrollar los detalles del proceso. E l símbolo para representar una macroetapa es un cuadrado dividido en tres partes En una de las partes puede colocarse un número, en otra la iden tificación de la macro y en la tercera una etiqueta (figura 2.25). Las macroetapas representan, pues, «tareas» y equivalen a lo que en ciertos lenguajes se define como «macros». Desde un punto de vista formal, una macroetapa no es más que un conjunto de etapas agrupadas que se definen, posteriormente, en lo que se conoce como representación en detalle o ex pansión de ¡a macroetapa (figura 2.26). El objetivo esencial de la macroetapa
Figura 2.25. Símbolos de macroetapa.
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macroetapas, fraccionando asi el problema global en «tareas» que se procura que correspondan a partes del proceso tecnológicamente com pletas (taladrado, roscado, trata miento térmico, traslado de piezas, cambios de herramienta, etc.).
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Figura 2.26. Expansión de una macroetapa.
es el de permitir una aproximación pro gresiva y estructurada tanto en la Tase de diseño como en la de explotación y mantenimiento de un automatismo. Se puede partir de una definición muy genérica del proceso y posteriormente desarrollar cada macroetapa en las ac ciones simples correspondientes. Las reglas básicas a tener en cuenta cuando se introducen macroetapas en un gráfico funcional son las siguientes: A ) La expansión de una macro debe tener una única etapa inicial y una única etapa final. Hay que hacer notar que esta re gla no implica necesariamente que la expansión de una macro tenga estructura lineal (ver apartado si guiente), sino que puede contener en su interior estructuras de cual quier complejidad. B) El franqueo de la transición inme diatamente anterior a la macro activa la etapa E de entrada de la misma. C ) La activación de la etapa de salida de la macro «valida» la transición inmediatamente posterior a la mis ma. (Véase el concepto de transi ción validada en el apartado 2.8.) D ) Por motivos de claridad o de es tructuración pueden utilizarse ma croetapas anidadas. En otras pala bras, la expansión de una macro etapa puede, a su vez, utilizar otras
iO B S E R VA C IO N IM I’OR TA N TE! La definición de A F C E T excluye ex plícitamente que una misma expansión pueda ser llamada desde dos macroeta pas distintas del gráfico funcional, tal como se representa, por ejemplo, en la figura 2.27. Es decir, excluye la utili zación del concepto de macroetapa como sinónimo de «subrutina». Esta restricción se Introduce para evitar conflictos de acceso en caso de que la misma expansión fuese llamada por dos macroetapas activas simultá neamente. Sin embargo, si se evita ex plícitamente esta posibilidad puede eli minarse esta restricción y ul¡fizar la misma expansión para desarrollar va rias macroetapas distintas. Sobre todo en automatismos progra mabas, la utilidad de las macroetapas se incrementa notablemente si no se impone la restricción indicada ante riormente. En tal caso, las macroetapas
Figura 2.27. Utilización de macroetapas con carácter de subrutina.
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pueden definirse com o verdaderas «subrutinas» o «procedimientos» que pueden ser llamados desde diversos puntos del programa, con la única con dición de que no sean llamadas mien tras se están ejecutando. Esto exige ciertas precauciones en su inicialización y utilización, tal como se ha indicado' en la propia figura 2.27, pero a cambio permite una programación más estruc turada de las tareas de un proceso y op timiza la longitud del programa. Algunos autómatas disponen ya de lenguajes de programación estructura dos, capaces de interpretar macroetapas con carácter de subrutina, incluso con más de un nivel de anidamienlo.
2.11. E S T R U C T U R A S B A S IC A S D E L G RAFC ET En el ejemplo del apartado 2.9 he mos tratado el caso de un proceso re lativamente simple, con una estructura de tipo lineal, ciclica y sin bifurcacio nes. Pero existen otros procesos qu requieren estructuras mas complejas en las que se presentan bucles, tomade decisiones o tareas simultáneas qué deben sincronizarse. Para estos casos e G R A F C E T dispone de otras estructu ras básicas a partir de las cuales pueder generarse los diagramas de dichos pro cesos. Las tres estructuras básicas en G R A F C E T , de las cuales pueden de rivarse todas las demás, son: — Secuencia lineal. — Convergencia y «O» (subprocesos — Convergencia y «Y » (subprocesos
divergencia er alternativos). divergencia er simultáneos).
Al hablar de lógica combinación: (véase anexo I) hemos dicho que cual quier función lógica puede expresara mediante combinación de las operad nes «Y » , «O» y «NO». Pues bien, ha ciendo un paralelismo podemos dee-i que los sistemas secuenciaies, cu¿ quiera que sea su complejidad, puedH expresarse siempre en G R A F C E T ni; diante gráficos que sólo incluyan come estructuras básicas las tres citadas an (eriormente. En la práctica, como se ha visto e« el apartado anterior, se empieza r-
D IS IÑ O 01 AUTO M ATISM O S LÓ G ICO S
describir los procesos mediante gráficos funcionales muy genéricos, con poco nivel de detalle, que casi siempre serán Je tipo lineal, pero al ir avanzando en el nivel de detalle aparecen las bifur caciones (convergencias y divergencias en O y en Y). A continuación se estudiarán las for mas puras de cada una de las eslrucuras mencionadas, bien entendido que en un proceso real aparecerán entre mezcladas de tal forma que en el ¡nerior de estructuras en «O» aparecerán ramos lineales u otras en «Y » o vi ceversa. Sin embargo, casi siempre se -tuede recuperar la estructura en «Y» ' en «O» pura, haciendo uso del con.epto de macroetapa expuesto antermente.
cuentre activada la anterior y se cumplan las condiciones de transi ción entre ambas. C ) La activación de una etapa implica automáticamente la desactivación de la etapa anterior, D) Una secuencia lineal puede formar parte de una estructura más com pleja. La estructura lineal aparece casi siempre a nivel de descripción general con macroetapas y también como parte de las estructuras más complejas.
2.11.2. Divergencia y convergencia en «O» La divergencia y convergencia en «O», a las que llamaremos conjunta mente bifurcación en «O», forman una estructura en la que existen los siguien tes elementos (figura 2.28): 1) Una divergencia en «O», en la que se inician varios caminos o subprocesos alternativos posibles. 2) Una serie de caminos alternativos con una m acroestruclura lineal.
Figura 2.28. Divergencia y convergencia en «O».
2-11.1. Secuencia lineal La secuencia lineal es la estructura - ls simple posible y consiste en una •ucesión de etapas unidas consecuti¡mente por las líneas de evolución y adiciones de transición, tal como se Tjdo observar en el ejemplo de la fi gura 2.22. Las propiedades que cumple dicha estructura son las siguientes: \ ’ Dentro de un tramo de secuencia lineal, solamente una etapa debe estar activa en un instante deter minado. En realidad las reglas del G R A F C E T no impiden formalmente la posibilidad de que en una secuen cia lineal pueda existir más de una etapa activa, pero si esto sucede suele denotar una incoherencia de diseño. En efecto, la implicación práctica de que se activen dos eta pas simultáneamente es que deben ejecutarse dos grupos de acciones simultáneamente y esto tiene una forma más apropiada de represen tación mediante bifurcaciones en «Y», como podrá verse a continua ción. Por otra parte, si en una estruc tura lineal progresan varias etapas activas a la vez pueden «darse caza» y esto podría provocar condiciones contradictorias de que una etapa deba activarse y desactivarse a la vez. B) Se activa una etapa cuando se en
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aunque pueden contener otras es tructuras más complejas. 3) Una o más confluencias en «O» de dichos caminos alternativos, de tal forma que la macroestruclura debe ser globalmente cerrada. Esta estructura se prevé para repre sentar procesos alternativos que deban ejecutarse dependiendo de ciertas con diciones lógicas. Por ejemplo, en una barrera de peaje si el importe intro ducido es exacto entregar ticket y abrir barrera, si no es exacto devolver cam bio. Haciendo un símil con estructuras de tipo informático, la bifurcación en «O» corresponde a una estructura del tipo «IF... T H EN ... E L S E » . El camino o subproceso que se se guirá en cada caso dependerá de cuáles sean las condiciones de transición que se cumplan a partir de la etapa previa a la bifurcación. No es imprescindible que los subprocesos que parten de una misma di vergencia deban confluir en una misma convergencia. Lo que si ocurrirá en todo proceso es que toda divergencia implica la existencia de una conver gencia en algún lugar del ciclo, ya que, como se ha dicho, el gráfico de liuencia visto globalmente ha de ser cerrado. Las propiedades básicas que cumple la estructura de bifurcación en «O» son las siguientes:
que se estudia más adelante. Pero si la situación es accidental, esto pondría de manifiesto una falta de especificación ante tal caso, que de berá ser resuelta o bien imponiendo condiciones adicionales para evitar la simultaneidad o especificando claramente cuándo el proceso ha de ser exclusivo y cuándo simultáneo. Además, en automatismos reales donde no puede garantizarse la si multaneidad de eventos, debido a los tiempos de respuesta, el no cumplimiento de la mencionada restricción puede ocasionar res puestas aleatorias, debido a lo que se conoce como '
Finura 2.29. Esquema iónico de la parle secuencial en una estructura de divergencia y convergencia en aOo. B9
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A ) A partir del punto de divergencia el proceso podrá evolucionar por distintos caminos alternativos, cada uno de los cuales debe tener su propia condición de transición. B) Las condiciones de transición de los diversos caminos de divergencia han de ser excluyentes entre si (in tersección nula), de forma que el proceso sólo podrá progresar en cada caso por uno de ellos. En realidad, las reglas del G R A F C E T no imponen esta restricción, pero si no se cumple se produce una incoherencia. En efecto, si las con diciones no son exclusivas entre sí, indicaría la posibilidad de procesos que pueden iniciarse simultánea mente en caso de cumplirse dos o más condiciones de transición si multáneamente. Si esta situación es deseada, debe resolverse utilizando la estructura de bifurcación en «Y»,
tal restricción en las bifurcaciones en «O». C ) A nivel de gráfico global, los dis tintos caminos iniciados como di vergencia en «O» deben conlluir en uno o más puntos de convergencia en «O». Dicho de otra forma, la es tructura debe ser globalmente ce rrada y no pueden existir caminos abiertos, ya que esto denotaría si tuaciones sin posible salida. Se excluye también que los ca minos de una divergencia en «O» puedan concurrir en una conver gencia en «Y » (ver apartado si guiente), puesto que esto provoca ría un bloqueo del sistema en el punto de convergencia ante la ¡m-
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LÓGICOS
posibilidad de finalizar simultánea mente todos los caminos, habiendo iniciado sólo uno. l..n la obtención del esquema lógico . i. la parte secuencial. las únicas etapas qt e merecen comentario son las que se encuentran inmediatamente antes o Jespués de la divergencia y convergen.ut. pues las demás son simplemente arte de una estructura lineal, que ya emos estudiado. Así pues, en la figura 2 2d se han representado los esquemas ^ la parte de control secuencial co;spondientes al gráfico de la figura 2 28. incluyendo sólo dichas etapas. Como detalles más significativos de figura 2.29, puede observarse que: - L.a desactivación de la etapa previa a una divergencia se produce al activarse una cualquiera de las etapas siguientes, según una ecua ción lógica en «O»: R E S E T B9 = Q10 + Q20 + Q30 («O» de todas las ramificaciones divergentes) — La activación de la etapa siguiente a una divergencia depende de la etapa previa y de la condición par ticular del camino activado, como si se tratara de una secuencia lineal:
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Figura 2.30. Divergencia y convergencia en «Y».
La divergencia y convergencia en i . a las que llamaremos conjunta mente bifurcación en «Y», forman una -- rjetura en la que existen los siguien-. elementos (figura 2.30):
2) Una serie de caminos simultáneos con una m acrocstructura lineal, aunque pueden contener otras es tructuras más complejas. 3) Una o más confluencias en «Y » de dichos caminos, de manera que la macrocstructura debe ser global mente cerrada.
Una divergencia en «Y » en la que se inician varios caminos o subpro>:esos que deben iniciarse simultá neamente cuando se cumpla una determinada condición de transi ción común (C9 en el gráfico de la figura 2.30).
Esta estructura se prevé para repre sentar procesos que se inician simul táneamente, se ejecutan de forma in dependiente con distintos tiempos y condicionan la continuación del pro ceso en tanto no hayan terminado to dos ellos. Como ejemplo tenemos el
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Divergencia y convergencia en « Y »
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caso de una estación de mecanizado, con un plato giratorio de tres posicio nes, una para alimentación y evacua ción de piezas, otra para taladrado y la tercera para roscado. Las tres operacio nes se inician simultáneamente y no puede proseguir el proceso en tanto no hayan terminado las tres operaciones o tareas. La continuación consiste en dar 1/3 de vuelta al plato e iniciar otro ciclo si se desea (figura 2.31). Al igual que se dijo para las bifur caciones en «O», no es imprescindible que los subprocesos simultáneos que parlen de una misma divergencia de ban confluir en una misma convergen-
AUTÓM ATA! PROOltAMABLES
específica más que esperar que ter minen las otras tareas que conflu yen en ella. En la figura 2.32 se ha representado el esquema lógico de la parte secuencial correspondiente al G R A F C E T de la figura 2.30. Las únicas etapas que se han considerado son las que se en cuentran inmediatamente antes o des pués de la divergencia y convergencia, pues las demás son simplemente parte de una estructura lineal, que ya hemos estudiado. Como detalles más significativos de la figura 2.32, puede observarse que: — La etapa previa a una divergencia « Y » no debe desactivarse hasta que se hayan activado todas las etapas siguientes, según una ecua ción lógica en «Y»: R E S E T B9 = Q10 Q20 Q30 («Y » de todas las ramificaciones divergentes)
Figura 2.J1. Ejemplo de proceso que requiere bifurcaciones en u V» (Cortesía de Telemecanique). cia. Lo que sí es imprescindible es que el gráfico, visto globalmente, sea cerra do. Las propiedades que cumplen las convergencias y divergencias en «Y» son las siguientes: A) A partir del punto de divergencia el proceso evolucionará por varios caminos a la vez, ejecutando varias tareas simultáneamente. B) La condición de transición para ini ciar las tareas simultáneas es única y común para todas ellas. C ) A nivel de gráfico global, los dis tintos caminos iniciados como di vergencia en « Y » deben confluir en uno o más puntos de convergencia en «Y». Dicho de otra forma, la es tructura debe ser globalmente ce rrada y no pueden existir caminos abiertos, ya que esto denotaría si tuaciones sin posible salida. Se excluye también que los ca minos de una divergencia en «Y » puedan concurrir en una conver gencia en «O». En realidad las re glas del G R A F C E T no prohíben explícitamente esta situación, pero en caso de cerrar una divergencia
en « Y » con una convergencia en «O» se podrían activar varias etapas consecutivas de una estructura li neal que estuviera a continuación y esto está en desacuerdo con la regla A del apartado 2.11.1. D ) La convergencia en « Y » impone de por sí una condición de transición: todas las tareas que confluyan en ella deben haber terminado para que el proceso pueda continuar. Por tanto, a la hora de comprobar la regla A6 del apartado 2.8. puede considerarse a todos los efectos que una convergencia «Y » equivale a una transición. Esto no impide que puedan existir condiciones adicio nales, aparte de la propia de con vergencia, tal como se ha supuesto en la figura 2.30 con las condicio nes C A y CB. E n caso de que no existieran di chas condiciones adicionales puede escribirse también CA=1 o CB=1, para indicar esta circunstancia. Es frecuente utilizar este criterio, ha ciendo que las últimas etapas pre vias a la convergencia « Y » sean simplemente etapas de espera, don de no se desarrolla ninguna tarea
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— La activación de cualquier etapa inmediatamente después de una divergencia depende de que este activa la etapa inmediatamente anterior y de la condición de tran sición común. S E T B10 = Q9 C9; S E T B20 = Q9 •C9; S E T B30 = Q9 •C9 — La activación de la etapa siguiente a una convergencia «Y » depende de que estén activas todas las eta pas previas y eventualmente de al guna condición adicional (C A o C B en nuestro ejemplo). S E T B40 = Q19 Q25 -CA (« Y » de todas las ramificacione? concurrentes) SF.T B50 = Q47 Q34 ■C B
2.12. D IA G R A M A S D E F L U JO Y D IA G R A M A S G R A F C ET Para el lector habituado a trabajacon los clásicos gráficos de flujo em pleados en informática, puede ser in teresante establecer una comparación entre éstos y el G R A F C E T . haciende resaltar algunas diferencias esenciakque existen entre ambos.
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dependencia de que se cumplan o no las condiciones de transición. D ) Un G R A F C E T debe separar las ac ciones combinacionales de las se cuenciales, mientras que en un grá fico de flujo no existe tal distinción, E ) Un diagrama de flujo no contiene información suficiente para deducir de él el programa de forma univoca, mientras que el G R A F C E T permite una «compilación» directa a pro grama máquina.
Figura 2.33. Saltos y hueles: a) Salto adelante, b) Salto atrás.
Figura 2.32. Esquema lógico de la parle secuencial en una estructura de divergencia y convergencia *n «Y» (corresponde a la figura 2.30). \) Un gráfico de flujo representa una sucesión de tareas que se ejecutan secuencialmente a la velocidad del p ro ce sad o r, m ie n tra s que un G R A F C E T es una sucesión de ta reas, eventualmente controladas por un procesador, pero que se ejecu tan a la velocidad impuesta por el proceso. En general, pues, durante el tiempo de actividad de una etapa G R A F C E T el procesador ejecuta muchos barridos del gráfico funcio nal completo. B) Un gráfico de flujo representa, en general, procesos monotarea, mien tras que en G R A F C E T es perfec tamente lícito representar tareas si multáneas (divergencia y conver
A pesar de estas diferencias, que no deben pasarse por alto, resulta intere sante desarrollar en G R A F C E T algu nas de las estructuras habituales en programación estructurada. Tal como se ha dicho, el G R A F C E T permite re presentar cualquier estructura lógica se cuencial a partir de las tres estructuras básicas estudiadas anteriormente, tal como se puede ver en los ejemplos si guientes: Pueden obtenerse diversas estructu ras de saltos y bucles basándose casi siempre en la estructura simple de di vergencia y convergencia en «O». Asi, por ejemplo, pueden obtenerse saltos condicionales, ya sea hacia etapas pos teriores o hacia etapas anteriores, según se muestra en la figura 2.33.
gencia en Y ). Dicho de otra forma, no existe una estructura en diagra mas de flujo para representar tareas simultáneas. Para clarificar mejor este concep to, cabe decir incluso que un mis mo procesador puede ejecutar a la vez varios gráficos funcionales, que pueden estar relacionados entre si o ser completamente disjuntos. C ) Como consecuencia de lo anterior, un bucle en un diagrama de flujo implica que sólo se está ejecutando la parte de programa interior al bu cle, hasta que se cumpla la condi ción que permita salir de él, mien tras que en G R A F C E T se explora la totalidad del programa, con in
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Figura 2..14. Huele can comprobación final: «REPF.AT UNffl. X». Figura 2.36. Equivalente en GRAFCET a un bucle «FOR NEXT». De forma similar podrían obtenerse bucles con estructuras típicas como « W H IL E DO», « R F .P E A T U N T IL » , « F O R N E X T » , etc., según se muestra en las figuras 2.34 a 2.36. La propia estructura «1F...THEN... E L S E . .ELSE...» o las de tipo « C A S E » son directamente equivalentes a una bifurcación en «O», con una rama para el « IF » y una para cada « E L S E » . A las anteriores hay que añadir el concepto de subrulina o procedimien to, que en G R A F C E T se obtiene con el concepto extendido de macroetapa tal y como lo hemos definido en el apartado 2.10. Recuérdese que la nor ma del G R A F C E T no admite utilizar el concepto de macroetapa como si nónimo de subrulina, pero en cambio no impide que existan varias etapas ini ciales ni que dos gráficos funcionales
Figura 2.35. Bucle con comprobación inicial: «W HILE ... DO».
puedan tener condiciones de transición cruzadas (figuras 2.19 y 2.27).
2.13. E T A P A S IN IC IA L E S , P R E P O S IC IO N A M IE N T O Y ALARM AS Uno de los problemas que debe re solverse al plantear un problema de automatización de un proceso es el de inicializar dicho proceso en el momen to de arranque inicial (arranque en frió) y el de establecer cómo debe rearrancar en condiciones anómalas como pueda ser la pérdida de tensión del sistema de control con salvaguarda de datos (arranque en caliente). Este problema recibe el nombre genérico de «trata miento preliminar». Para establecer el comportamiento del sistema de control en estos casos singulares se incorporan ciertas varia bles internas capaces de detectar el es tado de servicio del propio sistema, co nocidas habitualmenle como variables de sistema. La e s tru c tu ra c o m p le ta de un G R A F C E T quedará, pues, formada por tres grandes bloques: tratamiento pre liminar, tratamiento secuencial y tra tamiento combinacional o posterior, según se muestra la figura 2.37. E l tratamiento preliminar se ejecuta sólo en el primer ciclo después de un arranque, distinguiendo entre arranque en frió o arranque en caliente y permite
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rciniciar el proceso a partir de sus eta pas iniciales (caso más frecuente en el arranque en frío) o posicionarlo en otras etapas intermedias para proseguir un proceso interrumpido en condicio nes anómalas (caso de arranque en ca liente, con memoria de datos que per mita continuar el proceso). En el úl timo caso las variables de sistema \ cventualmcnle los datos memori/ados suelen emplearse para decidir el preposicionamiento del sistema. El tratamiento secuencial se ejecuta, en general, cíclicamente en condiciones normales de funcionamiento y resuelve las distintas fases de evolución que debe seguir el proceso. El tratamiento combinacional queda también incluido dentro del ciclo nor mal de ejecución y contiene todas las acciones a ejecutar en cada una de la-. etapas del proceso. Otro aspecto a contemplar es el de posibles condiciones anómalas de fun cionamiento, ante las cuales se desea generalmente que el sistema de control reaccione de distintas formas, depen diendo de la gravedad de la anomalía. Si se quisieran contemplar estas con-; diciones en el G R A F C E T , cada etapa debería tener al menos dos salidas (di vergencia en O), una para evolución normal y otra para responder a con diciones de alarma. Sin embargo, si se
Figura 2.37. Estructura general de ejecución de: GRAFCET.
quiere dibujar esto resulta un gráfico funcional excesivamente complicado. Así pues, se opta generalmente por re presentar en el gráfico funcional sólo la evolución normal del proceso y se da por entendido que dicho funcio namiento normal puede ser «interrum pido» en cualquier etapa por una con dición genérica de alarma. El útil para efectuar un tratamiento sistemático de los arranques, paradas, preposicionamientos y alarmas es el co nocido con el nombre G E M M A , que se estudia en el apartado siguiente
2.14. P U E S T A S EN M A RC H A Y PARAD AS: G E M M A Hemos insistido varias veces en que el desarrollo y explotación de sistemas lülomáticos de producción requiere el empleo de útiles metódicos, con un vo cabulario preciso y una aproximación s stemática y guiada, donde se reflejen runto por punto los procedimientos a ..Tiplear a modo de un «check list». En lo que se refiere al desarrollo de a parte de mando, hemos visto que el ■r R A F C E T es un útil adecuado para r io. pero es preciso partir de unas es : ecificaciones precisas y prever posi” les condiciones anómalas. En otras relabras, las especificaciones son la materia prima» a partir de la cual construimos un proyecto. Unas espe. (¡cationes incorrectas o incompletas nos llevarán a un resultado final in correcto. Es necesario, pues, un útil revio que nos permita generar unas especificaciones correctas, asegurando :ue no dejan situaciones imprevistas y ■contienen incoherencias. Uno de los intentos de creación de : cho útil ha sido llevado a cabo por n equipo de investigadores impulsado in Francia por A D E P A (Agence pour i DÉveloppement de la Productique Nppliquée) y ha dado como resultado i creación del G E M M A (Guide d’Étur des Modes de Marches et d’Arréts). El G E M M A es un método para el :«tudio de las posibles situaciones de ' archa y parada en que puede encon~arse la parte operativa (PO ) de un pro:so (ver apartado 2.7) y las formas de solucionar de unas a otras. Para ello apoya en un útil gráfico que reprecnta una serie de estados tipificados
de la PO y muestra las posibles formas de evolución de unos a otros. A continuación presentaremos los principios de este útil, aunque nece sariamente en forma resumida. Para ampliar los conceptos aquí desarrolla dos remitimos al lector a la referencia
[6 ],
2.14.1. Elementos de base La aplicación práctica del G E M M A se apoya en un útil gráfico, que consta de los siguientes elementos: A ) Rectángulos de estado, donde se de finen una serie de situaciones ti pificadas, que se suelen dar en cual quier automatismo. La figura 2,38 muestra los estados normalizados que deberán analizarse siempre. En caso de que el automatismo a di señar disponga de alguna situación o estado especial, debería incluirse en el marco de alguno de los pro puestos. Puede ocurrir también que alguna de las situaciones tipificadas no tenga sentido para el automa tismo que estamos diseñando; en tal caso se tachará el cuadro co rrespondiente. B) Fam ilias de estadas. E l conjunto de estados posibles de un sistema se agrupan en tres familias: — Fam ilia A : Estados de paro. — Fam ilia F: Estados de funciona miento. — Fam ilia D : Estados de fallo. Desde otro punto de vista, se di vide el total de estados en dos gran des grupos: producción y fuera de producción (figura 2.39). Se dice que un sistema está en producción cuando cumple el obje tivo para el cual ha sido diseñado y fuera de producción en caso contra rio. Obsérvese que los términos «en producción» y «en estado de funcio namiento» tienen significados distin tos. En efecto, se puede estar en pro ducción teniendo todo o parte del sistema en estado de paro (paro por fin de ciclo, por ejemplo) o se puede estar en funcionamiento sin estar en producción (preparación de máqui na. por ejemplo). C ) Lineas orientadas. Estas líneas con templan todos los pasos posibles de
una situación o estado a otro Ln la propia línea se marcará el sentid' de paso. D ) Condiciones de evolución. que in dican si el paso de un estado a otro está condicionado o si se debe to mar alguna acción previa. Al con trario de lo que ocurría en el G R A F C L T . estas condiciones en tre estados pueden o no existir. F.n caso de no existir, se entenderá que el paso es Incondicional, sin ningún requisito previo. El método de diseño consiste en que el diseñador rellene el gráfico estándar de la figura 2.38, lo cual le obliga a pre ver una serie de posibilidades que, de otra forma, podrían pasar inadvertidas y, eventualmente, pueden obligar a in cluir sensores o controles adicionales para prever la evolución controlada en tre algunos de los estados. Como se lia dicho, es perfectamente admisible considerar alguno de los es tados normalizados como imposible o añadir algún otro no previsto, bien en tendido que esto supone una elección deliberada del diseñador y no responde a un descuido. Esto es asi, sobre todo, en estados como test, rearranque au tomático, ciertos preposicionamientos, etc. Hay que matizar, sin embargo, que no debería admitirse como imposible ningún estado de fallo o de paro de emergencia. 2.14.2. Estados de funcionamiento La familia de estados de funciona miento comprende todos aquellos por los que debe pasar la parle operativa para obtener el resultado deseado del proceso. Así, forman parte de esta fa milia los estados preparatorios de pro ducción, los tests o controles previos o posteriores y, en gran parte, los propios del proceso. Concretamente, el gráfico contempla los siguientes estados'nor malizados (figura 2.38): F l (Producción normal) Éste comprende las etapas para la obtención del proceso propiamente di cho, Este estado se representa en el gráfico G E M M A por un rectángulo en trazo más grueso. El proceso a efectuar se define en términos de un diagrama G R A F C E T . denominado «de base»
AUTÓM ATAS PR O G R A M A IILKS
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l'5 ( Verificación de marcha cu urden) Permite verificar paso a paso o de idrma continua ciertos movimientos o partes del proceso, respetando el orden nabitual del ciclo, ya sea produciendo 0 en vacio. f'6 (M archa de test) Permite el reajuste o calibración de ciertos sensores o la ejecución de cier1js operaciones de mantenimiento prcentivo, correcciones por desgaste, etc.
2.14.3. Estados de paro Dentro de la familia de estados de aro se consideran todos aquellos que ietienen el funcionamiento del proaso. La familia comprende los siguienestados normalizados: í / (Paro en estado inicial) Estado inicial de reposo de la parte «perativa. Se suele corresponder con .as etapas iniciales del G R A F C E T . El c.tángulo correspondiente del gráfico íE M M A se dibuja también con doble trazo. i Demanda de paro a ,final de ciclo) Cuando se solicita este paro, la má_ jina debe continuar hasta el final de .•do y finalmente detenerse. Se trata, ~ues, de un estado transitorio hacia A l. (Demanda de paro en un estado .¡•terminado) Cuando se solicita este paro, la mác na debe continuar hasta detenerse 11 un estado determinado, distinto del n de ciclo. Se trata de un estado tran• >rio hacia A4.
A l (Preposicionamiento de la parte operativa) Estado en el que se prepara la parte operativa para efectuar un rearranque desde unas condiciones cualesquiera, distintas de las iniciales. Se trata, pues, de un estado transitorio hacia A4.
2.14.4. Estados de fallo Esta familia comprende todos aque llos estados de paro por fallo de la parte operativa o de marcha en condiciones anómalas. Los estados normalizados dentro de esta familia son: D I (Paro de emergencia) En este estado debe preverse: un paro lo más rápido posible y otras ac ciones necesarias para limitar las con secuencias del fallo, tanto desde el pun to de vista de la producción como de la seguridad humana. 1)2 (Diagnóstico y/o tratamiento del fallo) Incluye las acciones a ejecutar para averiguar el origen del fallo. Lógica mente la salida de este estado debe evolucionar hacia A5 o evenlualniente hacia D3. D3 (Seguir en producción con fa llo ) Este estado corresponde al caso de necesidad o conveniencia de continuar la producción en caso de ciertos fallos, incluso aceptando una degradación de la calidad o pérdida total del producto. Se incluye también la posibilidad de
Figura 2.40. Bucles Je evolución en GEMMA.
' - i Paro en estado intermedio) La máquina está detenida en un es tán distinto del inicial y del final. ) (Preparación de arranque después de ■i" tallo) Fn este estado deben efectuarse las reraciones necesarias para una nueva ruesta en marcha. 'h I Inicialización de la parle operativa) Estado en el que se prepara la par : operativa para efectuar un rearran^uc desde las condiciones iniciales. Se ata, pues, de un estado transitorio haua A l.
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intervención de operadores humanos para suplir ciertas disfunciones del sis tema automático. 2.15. M É T O D O G E N E R A L D E D IS E Ñ O B A SA D O EN G E M M A La secuencia típica aplicando el mé todo sistemático de diseño comprende las siguientes fases: A i — Estudio de las acciones del pro ceso, — Definición del ciclo normal de producción. — Formulación del G R A F C E T de base. B) — Definir la parte operativa (accio namientos y sensores). — G R A F C E T operacional, con de finición de la parte operativa. C ) - Definir los modos de marcha y paro con ayuda del G F.M M A . D) - Definir, con ayuda del G E M M A , de las condiciones de evo lución entre los distintos estados de funcionamiento, parada y fa llo. — Definir la comunicación hom bre-maquina (pupitre de mando) y comunicación con otros con troladores de proceso. — Form ulación del G R A F C E T completo. F.) — Escoger la tecnología del mando (eléctrico, neumático, electróni co, programable o no. etc.). F) — Concepción del esquema o pro grama de mando.
AUTÓMATAS ra O O R A M A ftllf
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dueción normal o hacia el estado 1)1 de alarma (figura 2.43). Sin embargo, no se suele utilizar este tipo de representación por la complcidad que añade a los G R A F C E T de lorma innecesaria. Los autores del G E M M A proponen dos posibles formas de evolución a par ir dé un paro de emergencia: \) Bloqueo inmediato de todas las sa lidas de acción y entrar en un G R A F C E T de alarma genérico, donde se decidirá la evolución pos terior. B> Con secuencia especifica de emer gencia, lo cual obliga a introducir en todas y cada una de las etapas del G R A F C E T una posible salida hacia una etapa de emergencia. La elección de uno u otro método ependerá. en general, del número loi¡ de etapas del G R A F C E T y de las tficullades de entrelazar las distintas ¿reas con el paro de emergencia. En jüiómatas programables se suele ent r a r el primer método, ya que se dis- ne de variables de sistema o incluso :e instrucciones especificas que perten una fácil ¡mplementación del mismo.
Figura 2.43. Tratamiento de alarmas y estados de fallo. a derecha, es decir, cuando el ci lindro B retrocede no arrastra la cinta hacía atrás. — Estación de llenado: El llenado lo efectúa un dosificador volumétri co controlado por el cilindro C y una válvula D.
117. E JE M P L O D E D IS E Ñ O Para resumir el método general de : 'Cño desarrollaremos un ejemplo sen . ¡ o basado en los útiles gráficos del C .E M M A y G R A F C E T . Para realizar ejemplo hemos escogido una parte J ; una planta embotelladora, que com,'ide las secciones de carga, llenado • .¡ponado y hemos aplicado los prin. ->os expuestos en el apartado 2.15. I I 7.1. Fases A y B de diseño La figura 2.44 muestra esquemáti. ' ente la máquina, con estas partes: Estación de cania: Los recipientes llegan por una cinta y se transfie ren a la cinta de máquina a través del cilindro neumático A. - Avance cinta: La cinta de máquina avanza un paso con el cilindro B. El acoplamiento de piñón y cre mallera avanza sólo de izquierda
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Estación de taponado: La opera ción de taponado consiste en la transferencia del tapón mediante el cilindro G. aproximación me diante el cilindro E. El tapón que da retenido en el receptáculo, se retiran los cilindros G y E y pos teriorm ente se rosca el tapón aproximando nuevamente E y ha ciendo girar el tapón mediante el motor neumático F. Sensores: Inicial mente se ha pre visto que cada cilindro lleve un sensor final de carrera, identifi cado por la misma letra (en mi núscula) y el subíndice I o 0, se gún este extendido o replegado, Asi. por ejemplo, el sensor a, in dica cilindro A extendido y a„ ci lindro A replegado, El cilindro E, como caso es pecial. lleva un detector de pre sión (e,) para detectar que el ta pón ha llegado a tope en la trans ferencia o durante el roscado del tapón a! recipiente.
Obsérvese que en estas fases se han definido algunos accionamientos y sen sores. pero no todos. A medida que se
desarrolla el G R A F C E T de base o al ir desarrollando los procedimientos de paro y marcha con el G E M M A , apa recerán probablemente nuevos senso res o podrá cambiar la filosofía de al gunos accionamientos. Debe entender se. por tanto, que el dibujo de la figura es el resultado final del diseño y que inicialmente algunos sensores como CP1, CP2, CP3 o incluso los pulsadores o selectores de mando no estarían pre vistos en un principio. E l G R A F C E T de base, correspon diente al estado de producción normal, se representa en la figura 2.45. Este es un G R A F C E T incompleto, puesto que se deben incluir en él los procedi mientos de marcha y paro que nos dará el G E M M A y por ello no están todavía definidas ni siquiera las etapas iniciales. 2.17.2. Fase C de diseño Con ayuda del gráfico G E M M A se fijan los estados de marcha y paro que se consideran necesarios en la máqui na. Todas estas situaciones se han pre visto en la figura 2.46, en la cual se han considerado no necesarios los estados que aparecen tachados. Debemos resaltar una vez más que el G E M M A de la figura 2.46 corres ponde al diseño final y que, por lo tan
Figura 2.45. GRAFCET de base de la planta embotelladora (corresponde al estado de producción normal). u l Hj l í
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to, ha de ser rellenado progresivamen te, conforme se plantean los distintos procedimientos de marcha, paro o fa llo. En principio, los estados previstos son los siguientes:
FS—
Se prevé una de cada estación, efec tuando un ciclo independiente de las demás.
2.17.3. Fase D de diseño A l— El estado A l es el que queda repre sentado en la figura 2.44. F1 Cuando se pone en marcha la máquina se pasa al estado F1 . es decir, llenado y taponado en modo au tomático. En este estado el sis tema seguirá la evolución del G R A F C E T de base. AJ El puede pedirse en cualquier momento del ciclo y el sistema se detendrá en el estado A2. F2— Cuando la máquina está vacia debe ponerse en marcha progre sivamente , de forma que cada esta ción arranque cuando le llega el primer recipiente (evitar derra mar liquido). F3~ Debe poder vaciarse la máquina y llevarla al estado inicial < M ar cha de finalización>. La máqui na debe ir parando progresiva mente sus estaciones a medida que se vacía. DA - Supongamos que la estación de taponado se prevé que puede fa llar. pero se decide pasar a un estado de , previendo que la operación se efectuará manual mente. D I- E l paro de emergencia prevé la detención de todos los movi mientos y el cierre de la válvula D, para evitar cualquier derrame de liquido. AA- Después del paro de emergencia se preve una verificación y lim pieza manual en un estado de . F4— Se prevé un estado de para regular el dosificador y controlar el distri buidor de tapones. Af>- Se prevé un mando individual de cada movimiento para inicializar la máquina o verificar la marcha (en realidad se hacen coincidir los estados A6 y F4).
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Con la ayuda del G E M M A se prever ahora las condiciones de c -1 lución entre los estados citados anl 1 riormentc. Al hacerlo nos damos cuer-] ta de lo siguiente (véanse en la figur. 2.46 las condiciones de transición ent estados): Para poder efectuar la puesta . I marcha y parada progresivas. queridas en F2 y F3, se necesitan] sensores suplementarios en cad* estación para detectar la presencia del recipiente. C P I, CP2 y CP3 — Se obtienen también las necesi dades de elementos de mando para el diálogo con el operador (pulsadores, selectores, etc.). Un esquema de estos elementos de mando se ha representado en l¿ figura 2.47, indicando las señales que generan y que luego se in corporan al G E M M A como con diciones de transición. • La opción de marcha en auto mático requiere una botonen de paro-marcha que genere b señal M de marcha en auto mático. • E l estado D3 requiere un se lector específico para indicar s la estación de taponado funcio na en manual o automático. La señal se ha identificado come T M para taponado manual. • El estado F3 requiere poder de tener la estación de transferen cia para vaciado. Se incorpora pues, un selector con las opcio nes automático o vaciado. L. petición de vaciado se ha iden tificado por la señal A A. • El estado F5 requiere una po sibilidad de marcha en setniaulomático para verificar el cicf de cada una de las estaciones • Se incluye también uno o ma^ pulsadores de emergencia, aun que, como se ha dicho, éstos se tratan habitualmente bloquean do totalmente el sistema y ni
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AUTOMATAS M tO O R A M A B LIS
G R A F C E T : Para la resolución de los sistemas sccuenciales. G E M M A : Para planificar los mo dos de arranque y paro con un método sistemático que permita prever todas las situaciones anó malas.
l______________________________________________________________
Figura 2.4S. hR iFCET incluyendo los procedimientos de marcha-puro y falto (excepto puro de emergencia).
Como consecuencia de esta lase ob tenemos, pues, el G R A F C E T completo y a partir de éste se trata ya de elegir un sistema de mando e implementar las funciones lógicas, bien sea en un autómata programable o en un sistema cableado. Obsérvese que el G R A F C E T com pleto no contempla la salida de cada etapa por paro de emergencia. El paro de emergencia, como se ha dicho, debe tratarse como una función aparte, de rango superior, que detiene todas las salidas. En sistemas programables esto suele hacerse a través de alguna varia ble de sistema prevista para tai efecto y en sistemas cableados se suele cortar la tensión de mando
2.18. R E S U M E N A lo largo de este capitulo hemos desarrollado con cierto detalle los mé todos de diseño de automatismos ló gicos. Hemos insistido en la necesidad de utilizar procedimientos sistemáticos, frente a los intuitivos, ya que esto nos permite evitar errores y llegar a situa ciones imprevistas, que obligarían a modificaciones o adaptaciones costosas cuando no imposibles. Todo ello requiere ciertos útiles que en nuestro caso hemos concretado en: - Álgebra lógica: Tanto para los sis temas combinacionales como para los sccuenciales.
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Puede pensarse que el método es in necesario para casos muy simples o in cluso que contiene todavía cierta con ponente de «diseño por intuición», ,\t que el diseñador debe decidir siempr: una parte tecnológica. En cualquio caso hay que aclarar que los útiles pro puestos pretenden resolver, y lo con siguen, el diseño de la parte de manda y proporcionan además una ayuda m u valiosa para el diseño de la parte me canica y de accionamientos. Al mismo tiempo, dichos útiles si una herramienta poderosísima para coordinación entre los distintos espe cialistas que intervienen en el diser de la máquina completa y entre ést y el ingeniero de producción, que api» ta su experiencia sobre el proceso y or tiene como beneficio un diseño m adaptado a sus necesidades y unas a\. das al mantenimiento en explotado' 2.19. R E F E R E N C IA S |l| Mandado. Enrique. «Sistemas electrónicos . ¡piales», Marcombu. S A. (4" edición. 1081> |2| Taub II y Schilling D, «Electrónica digital n legrada». Marcnmbo. S.A. (1080) |3| Mayol, Alberl. «Autómatas Programable Colección Prndúclica Marcomho, S A ( 19b|4| Miclicl. (i. «Autómatas Programables lude tóales: Arquitectura i aplicaciones» Marconi bo. S.A. 11990) |5| Blanchard. Michel y otros. «Le GRAI-’CET. nouveaux concepta» ADEPA - Ccpudues lú> tions (1985), |6| Varios autores. «G EM M A tüuidc d'Ctude il.Modes de Marches et d'Arretsl». A1JEI'* (Agence pour le Dcveloppcment de la Pt ductique Appliquée). 13/17 Rué Périer B S492I23. Montrouge, Ccdex.
DI1KÑO DC AUTOMATISMOS CON SIÑALIS ANALÓGICAS
3. DISEÑO DE AUTOMATISMO^ CON SEÑALES ANALOGICAS 3.1. IN T R O D U C C IÓ N Muchas de las magnitudes que in tervienen en los automatismos presen tan un margen de variación continuo Las variables que representan a dichas magnitudes pueden, por tanto, tomar infinitos valores comprendidos entre un máximo y un mínimo, que limitan lo que se llama el «campo de trabajo» de las mismas. Este tipo de magnitudes las hemos definido como analógicas y los automatismos que las controlan se co nocen, en general, como reguladores. Cabe distinguir dos tipos de regu ladores, dependiendo del tipo de tra tamiento que recíban las señales: anaigicos y numéricos o digitales. En cual quiera de los dos casos, la forma de enfocar el diseño y los conceptos bá jeos empleados son parecidos a los que hemos encontrado en el capítulo an terior para sistemas lógicos. Concreta mente. seguiremos tratando los com ponentes o subsistemas del regulador como bloques que proporcionan una cierta respuesta de salida ante deter minadas excitaciones de entrada. Cada bloque estará, pues, caracterizado por na serie de relaciones entre sus mag nitudes de salida y las de entrada, re laciones expresadas habitualmente por ■unciones de transferencia. Si atendemos a la definición ante rior, se desprende que para un mismo componente o bloque podemos obte ner tantas funciones de transferencia como magnitudes de salida puedan in teresarnos. Diremos que un sistema o bloque es Uncal si la relación salida-entrada es una ecuación diferencial lineal. Sin embar go, la mayor parte de los sistemas rea les presentan algún tipo de no linealidad, incluso dentro de su campo de rabajo. A pesar de ello, si restringimos su estudio a un determinado rango de valores de entrada-salida o dividimos
su campo de trabajo en tramos, casi todos ellos pueden aproximarse me diante ecuaciones lineales. Esto per mite estudiar los sistemas no lineales como lineales por tramos o en el en torno de un punto de funcionamiento. Por ello, en el presente capitulo pre sentaremos un resumen de los con ceptos y herramientas empleados en el diseño de sistemas lineales que traten con magnitudes analógicas y/o numé ricas. Una gran parte de los sistemas ana lógicos trabajan en lazo cerrado, tal como se ha dicho en el capitulo I. El estudio detallado de tales sistemas re quiere ciertas herramientas de cálculo y métodos de tratamiento específicos que pueden encontrarse en diversas obras especializadas como las referen cias |l| a |3). lUna de las mayores di ficultades que presenta el diseño de di chos sistemas es el de obtener un re gulador óptimo en los aspectos de mí nimo error, máxima rapidez de res puesta y gran capacidad de adaptación a diferentes tipos de respuesta de una planta. A L a pretensión del presente capítulo es introducir al lector en los problemas de aplicación de los reguladores, más que en los problemas de su diseño. Se pretende únicamente exponer los con ceptos básicos que permitan emplear y programar ciertos reguladores estándar disponibles comercialmente o incor porados a los autómatas programables. Debe entenderse, por tanto, que el tra tamiento del tema es incompleto y que se ha renunciado expresamente a jus tificar de forma matemáticamente ri gurosa los conceptos aquí expuestos. El lector no interesado en los con ceptos de análisis de sistemas lineales de control, puede prescindir de la lec tura de este capítulo o limitarse a la lectura de los apartados 3.11 en ade lante. prescindiendo del tratamiento
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matemático. En realidad, la mayor par te de reguladores disponibles en los au tómatas o incluso aquellos disponibles como elementos sueltos disponen de una función de autoajuste que permite obviar este estudio. Otro aspecto a considerar es que mu chos de los sistemas de control actuales son de tipo digital y utilizan métodos numéricos para el tratamiento de las magnitudes analógicas. En tal caso, las magnitudes del proceso se capturan por muestreo, las variables numéricas que las representan lo hacen con una re solución limitada y las relaciones sali da-entrada quedan expresadas por ecuaciones de diferencias finitas, en vez de ecuaciones diferenciales. Todo ello afecta al diseño del sistema, pero ca rece de importancia desde el punto de vista de su aplicación. Por ello, a lo lar go del capítulo expondremos los dis tintos conceptos considerando que el regulador opera con magnitudes con tinuas, al margen de que el tratamiento de señales sea analógico o numérico
3.2. M O D E L O DF. S IS T E M A S A N A L Ó G IC O S : D IA G R A M A S D E BLO Q UES En el capítulo anterior hemos defi nido un modelo como una herramienta que permite predecir la respuesta de un sistema ante determinadas condiciones de entrada. La definición sigue siendo válida para sistemas analógicos, aunque el tipo de gráficos y operadores em pleados en el modelo de dichos siste mas nada tiene que ver con los em pleados para sistemas lógicos. También para los sistemas analógi cos, el empleo de modelos permite re solver los dos problemas básicos del diseño: el análisis y la síntesis. Recor demos que el análisis consiste en pre decir el comportamiento de un sistema
AUTÓMATAS PftO O R A M A BLIS
previamente construido, mientras que la síntesis plantea el problema inverso: es decir, obtención de un sistema cuyo comportamiento responda a unas es pecificaciones determinadas. El modelo empleado en el estudio de sistemas analógicos y de servomeca nismos en general está basado en los diagramas de bloques, cuyas reglas esenciales se indican a continuación:
ei NUDO ADITIVO S<= U e ( +T;-e2
T2 6-
*2
S j = T, •ec+ T j e 2 - T j e j
NUDO
A ) Cada componente o bloque de un sistema se representará por un rec tángulo, donde se indicarán las va riables de entrada y salida y su re lación expresada por una función de transferencia. A titulo de ejem plo, en la figura 3.1 podemos ver una serie de bloques representati vos de los componentes básicos de sistemas eléctricos y mecánicos. B) La relación salida-entrada de cada bloque se denomina función de transferencia del mismo y define to talmente su comportamiento si se conoce su estado inicial y sus en tradas.
Finura 3.1. Diagrama de bloques de algunos componentes eléctricos y mecánicos. R — "•<
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Figura 3.2. Nudos y bifurcaciones. C ) Un sistema completo vendrá repre sentado. en general, por un diagra ma compuesto de varios bloques interconectados entre sí mediante nudos y bifurcaciones, tal como se muestra en la figura 3.2. Cada blo que podrá corresponder a un com ponente o a una parte del sistema más o menos compleja. D ) Los nudos son puntos donde se efectúa una operación entre dos o más variables. En el caso más fre cuente, en un nudo se suman o se restan dos variables, distinguién dose entonces dos tipos: nudos adi tivos y diferenciales. Podemos en contrar también nudos multiplica dores y divisores, tal y como se ha indicado a titulo de ejemplo en la figura 3.2. E ) Las bifurcaciones son puntos en los que una misma variable se desdobla en varias ramas que van a un blo que o a un nudo. F ) Pueden asociarse dos o más blo ques para obtener una representa ción más simplificada de un sistema o subdividír bloques para obtener una representación con mayor de talle. Ambos procesos se basan en ciertas reglas de operación de las funciones de transferencia, que re sumiremos en apartados sucesivos.
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Obsérvese que el modelo es válido para cualquier tipo de componente, dis-
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positivo o subsistema, mientras se co nozca la relación funcional entre la magnitud de salida que nos interese > las magnitudes de entrada de las que depende. Cumple, por tanto, uno de los requisitos exigidos a cualquier mo delo, que es el de ser independiente de la forma constructiva y de la tecnología empleada en la fabricación del com ponente o dispositivo.
3.3. F U N C IÓ N DF. T R A N S F E R E N C IA (FD T ) La función de transferencia define propiamente el comportamiento de ur. bloque a base de indicar la relación en tre la salida y la entrada del mismo. L¿ función de transferencia constituye, pues, un modelo del comportamienti del sistema que representa, permitien do además abstraemos de su natura leza fisica. Dicho de otro modo, do bloques con idéntica función de tranv ferencia se consideran equivalentedesde el punto de vista de control, co* independencia de cómo y con qué tec nología estén construidos. En el supuesto que nos ocupa, en ecual consideramos que las magnitud» de entrada y salida varían de form continua en el tiempo, podría tomarse como función de transferencia la ecu. ción diferencial que relaciona dichas magnitudes y sus respectivas derivada^
DISIÑO D I AUTOMATISMOS CON SEÑALES ANALÓGICAS '■
respecto al tiempo. Si nos limitamos a sistemas lineales, esta relación salidarntrada seria una ecuación diferencial lineal, habitualmente de coeficientes constantes, tal como se ha visto en los ejemplos de la figura 3.1. Sin embargo, :I análisis o síntesis de un sistema a ^ase de plantear y resolver las ecua ciones diferenciales es un método en¿orroso y se prefiere, en general, utizar métodos algebraicos para obtener t' comportamiento del sistema ante .iertos estímulos estándar. Matemáti camente este tratamiento puede hacer le basándose en la transformación de L .¡place, que permite resolver las ccua. nes diferenciales por métodos al gebraicos (véase, por ejemplo, la refe rencia [5]), La interpretación física del método Laplace consiste en pasar del do - nio temporal al dominio frecuencial. c método temporal se interesa por la ución de la salida a lo largo del cupo, ante un estímulo cualquiera de 't'a d a , definido también por su funn temporal. El método frecuencial, tn cambio, se interesa por la relación • - amplitudes y desfase entre salida y : ida cuando la señal de entrada es - senoide cuya frecuencia hacemos •^ de cero a infinito. La función de transferencia de un - -que (abreviadamente F D T ) se de-e habitualmente a partir del método • .jencial. es decir, como la relación < • Ja-entrada, para una entrada de tipo > idal. Si como hemos dicho el sis«r — i es lineal, la salida ante una eni i senoidal será otra magnitud se■ Jal de igual frecuencia y, en general, ! stinta amplitud y fase. Si adopic —"S la representación vectorial cláde las magnitudes senoidales en el • .no complejo, la función de trans: ■.-ncia será entonces una relación en *: Jos magnitudes complejas y, por i. podrá expresarse por una funsc ■compleja de la frecuencia. A título . ejemplo, en la figura 3.3 se han re centado las funciones de transferen. le los bloques eléctricos y mecá- básicos basándonos en este cri■ (véase también el apartado si miente). Paede demostrarse que la función de ■ ' sfe renda así obtenida es caracteris• Je cada sistema y permite, para sis• • is lineales, obtener la respuesta
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Figura 3.4. Representación en el plano complejo de un vector giratorio.
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ju jf
(J LO>-•m
Figura 3.3. Funciones de transferencia de los hinques eléctricas y mecánicos básicos. temporal ante cualquier entrada si se conocen las condiciones iniciales, em pleando el método de Laplace. Para ello debe sustituirse en la F D T la expresión (j<¿>) por el operador complejo de Laplace (s=ff+j
3.4. PA SO D E LA E C U A C IO N D IF E R E N C IA L A LA FD T Hemos dicho en el apartado anterior que la función de transferencia se ob tenía a partir de la respuesta en régi men senoidal. Para obtenerla, a partir de la ecuación diferencial de un sis tema, es conveniente recordar algunas propiedades de las funciones senoida les (véase por ejemplo la referencia [4]). En primer lugar debemos recordar que la función compleja e1'" representa un vector unitario giratorio con pul sación (o. Dicho vector puede repre sentarse en el plano complejo, según muestra la figura 3.4 y analíticamente puede expresarse también por sus com ponentes real e imaginaria, según la si guiente ecuación:
www.F
ros.me
De esta ecuación pueden deducirse las fórmulas de Euler (3.2) y (3.3). que permiten la representación de magni tudes senoidales mediante dos vectores giratorios con sentidos de giro opues tos. tal como muestra la figura 3.5:
eos {tal) =
sen ( tal) =
té'" + e"‘
2j
(3.2)
(3.3)
No obstante, al tratar de funciones de transferencia nos interesa única mente la relación de amplitudes y el desfase entre las magnitudes senoidales de salida y entrada. Por ello se suelen representar dichas magnitudes por un solo vector estacionario en el plano complejo (denominado fasor). En esen
Figura 3.5. Representación de funciones sennidules mediante suma de vectores giratorios. i i»
y\ /
X y * \ ]u ¡t
-i
\ e'^+eJW'-Zcostoi >X J 1/
A U TÓ M A TA ! PR O G RA M A BLES
cia es como si observáramos los vec tores giratorios girando a la misma ve locidad angular que ellos y. por tanto, lo que veríamos sería vectores estacio narios de entrada y salida. Este trata miento es válido sólo para señales de entrada y salida de igual frecuencia, tal como ocurre en la respuesta de siste mas lineales. En sistemas no lineales, la salida contiene frecuencias armóni cas (múltiplos de la de entrada) y, por tanto, no se pueden representar me diante vectores estacionarios. Asi pues, siguiendo con el supuesto de bloques lineales, si la entrada es una magnitud senoidal cualquiera de am plitud £, el fasor que la representa ten drá una expresión analítica del tipo: E Si la magnitud de salida tiene amplitud S y está retrasada un ángulo 0 respecto a la entrada, el fasor que la representa tendrá una expresión ana lítica: S- e*"' La figura 3.6 muestra la representación gráfica de ambos fasores.
E ejuj*
De igual modo la operación de in tegración equivale a dividir por el ope rador (j ni) o, dicho de otra forma, equi vale a dividir el módulo de la magnitud de entrada por to y desfasar en retraso un ángulo de 90”. En efecto:
y,{m ) = j
f f E \ vd f = I Ee> "'di= .
J
J t>
jw
d
d~= d i
1 f
(3.6) id i+ R i
(3 7)
Figura J.7. Ejemplo de obtención de la FDT a partir de la ecuación diferencia!.
Hh Vo- Ri
a)
Ecuación diferencial
V M / d U l/ K M + R , jWCR t+jWCR+(jW)2LC ó)
dv
di
, + ^. I dt f J
-Vo
Función de transferencia
_
E
= J ">
= j f" v
(1 4 )
wmam
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(3.8i
Jto
Gracias a estas propiedades es po sible obtener la respuesta de un sistema en régimen senoidal permanente por métodos algebraicos, sin recurrir a la solución de la ecuación diferencial. El método consiste en multiplicar la en trada por la función de transferencia expresada en forma compleja, tal como muestra, por ejemplo, la figura 3.3, para varios bloques elementales. Obsérvese que este método no es otra cosa que el habitualmente empleado cuando se representan los componentes eléctricos por su impedancia compleja. Como ejemplo de aplicación pode mos calcular la relación salida-entrada del bloque de la figura 3.7. Las ecua ciones diferenciales que rigen el siste ma son las siguientes:
K= ¿
Basándonos en la representación mediante fasores podemos deducir al gunas propiedades de las operaciones de derivación e integración, que nos resultarán útiles para el paso de la ecua ción diferencial a la función de trans ferencia. Asi, para una entrada del tipo a = E -e''", la operación de derivación equivale a multiplicar por el operador complejo (jtü). Esto equivale a multi plicar el módulo del vector de entrada por o>v desfasar en adelanto un ángulo de 90":
=.'
¡(tú) + R /(to) j to C
v
(3.5)
V=R
Figura 3.6. Representación mediante fasores de las entradas .v salidas senoidales.
Si suponemos que Vt es una entrada senoidal y aplicamos las propiedades indicadas anteriormente, podemos ob tener la función de transferencia del sistema como sigue:
V„ = R Hat) = y,
-
1R + j(„L + \ / j(o C (3.9)
Por tanto, la función de transferen cia, deducida de la ecuación diferencial (3.8). seria:
_ P'( m )
R R + jtiiL + \/\otC
j toCR 1 + j oiCR + (jwf’/.C (3.10. Este ejemplo ilustra, pues, la form* de obtener la F D T a partir de las ecua ciones diferenciales del sistema. Debe recordarse, sin embargo, que este mé todo permite sólo obtener el régimen permanente ante entradas senoidales y en general, sería deseable poder obte ner también el régimen transitorio. Esto es posible utilizando como F D T la re lación entre las transformadas de Laplace de la salida y la entrada.
3.5. R E S P U E S T A T E M P O R A L Según hemos visto en el apartado anterior, se puede obtener la respuesta en régimen permanente senoidal por métodos algebraicos basándose en la FD T. Este procedimiento puede generali zarse y obtener la respuesta témpora1 para una entrada cualquiera basánde nos en el método de Laplace para L resolución de ecuaciones diferencíale (ver la referencia [5]). Puede demos trarse que la relación entre las trans formadas de Laplace de la salida y de la entrada de un sistema se obtiene sus tituyendo en la F D T el operador (jw) por el operador (,s) de Laplace. As. pues, a partir de ahora llamaremos lun-
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eión de transferencia FDT(.s) o simple mente 7Lt) a dicha relación de trans formadas. No vamos a tratar aquí en profun didad el tema de transformadas de Laplace y su empleo al estudio de siste mas de control. Dicho tema está am pliamente tratado en cualquiera de las referencias |1] [2] o [6|. Nos limitaremos a indicar con un ejemplo la forma de operar para obtener la respuesta tem poral basándonos en las reglas de ope ración resumidas en la tabla 3.1 y en la tabla 3,2 de transformadas.
Tomemos como ejemplo el bloque R-C representado en la figura 3.8 y su pongamos que se desea conocer su res puesta cuando la entrada es un escalón de amplitud A. Las ecuaciones diferen ciales que lo rigen son las siguientes:
j/
' ■ - K l + 'c
f '
<3.1I)
Figura 3.H. Bloque R-C con entrada escalón de amplitud \. dt
(3.12)
Tabla 3. I. Regias de operación con transformadas de Lap/ace. (ti símbolo J debe leerse como "transformada de i.aplace de...")
Si aplicamos las reglas estudiadas en el apartado anterior obtendremos la si guiente función de transferencia:
K M = . '_ / ( « ) \ú)C
¡(o )
FD T =
KM
1/jo £
V ia ) '
(3.13)
(3.14)
1
R + 1/jwC" 1 + jw C K (3.15)
Si convertimos esta función de trans ferencia a la forma de transformada de Laplace, sustituyendo ]w por el opera dor s y llamamos T al producto R C ob tendríamos:
T\s) =
1 I + Ts
(3.16)
Aplicando el método de Laplace po demos obtener ahora la respuesta tem poral sin más que pasar de la figura 3.8 a la figura 3.9, donde se considera apli cada a la entrada la transformada de la función temporal (en nuestro ejemplo una función escalón) obtenida de la ta bla 3.2, y aplicar la regla I de la tabla 3.1.
Figura 3.9. FDT del bloque R-C expresada en transformadas de Laplace.
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Tabla 3.2. Transformadas de Laplace F(s) de las funciones temporales más usuales f(t). fin
71s)
1
impulso unitario <5(/)
2
escalón unitario l(r)
3
/ “
5
re
*"
6
sen oír
7
COS ü)t
9
fe-"'
1 s 1
c
r
1
.r
4
8
s
- 1
b —a 1
12
ah
1+
n\ (s
1
(be
(.5+ a)(s
s +a (v + a)1+ o>2 1
Figura 3.10. Respuesta temporal del circuito a un escalón de amplitud A.
R
s3(s + a)
' sen o )„J 1— (
ur„
t
v’ + 2C
3.6. O P E R A C IO N E S B Á S IC A S C O '
BLOQUES
sen ( t,>,J 1— ( : i -tf,)
s s3+ 2( o>,rs + «£
)/ l- C 3 0 = tan 1
J
Voto + b)
(s + a)3 + ta3
i/ i- c
18
+ h)
sis + a)is + b)
c
i
El ejemplo anterior ilustra la formi de operar para obtener la respuesi temporal de un bloque y nos será út para justificar el comportamiento de a gunos bloques estándar que se esto dian más adelante.
1
—ae ')
15
' V
+a)’ *'
s
(be h'- a e - ")
1 , (ai - I + e 4") a*
17
(3.18
1
a —b
c
V ¿ t ) = A (\ - e " ')
sT♦'
(s + a)(s
e *' eos
c
+ to3
n\
1 ,2,3,...)
14
- 1
i
La transformada inversa, obtenida : partir de la tabla 3.2, es la indicada en la ecuación (3.18) y representada en b figura 3.10:
s
e w sen m í
(0
+ a)1
S3+ to1
13
16
is
tú
o —a
II
+a 1
1
10
„ A \ A A K(. t) = • = — " ,v I + T .i s s+ \/T (3.171
1
0 f « l , 2, 3,m)
(« =
La transformada de la salida se ob tiene simplem ente m ultiplicando la transformada de la entrada por la fun ción de transferencia T\s). La función resultante debe descomponerse poste riormente en fracciones simples para poder obtener la transformada inversa a partir de la tabla 3.2, tal como se in dica a continuación:
1sen (w„i/1 — C ' t +
e a/i - c 0 = tan 1 r
7
sis3 + 2( tors + to3)
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Tanto el proceso de análisis como < de síntesis de sistemas requieren a cadenar o descomponer bloques pa configurar sistemas más complejos partir de sus componentes o parte Debemos, por tanto, conocer las regL básicas para combinar dichos bloqia entre sí. Las configuraciones básicas de bit ques y sus equivalencias son las i guientes:
D ltK Ñ O D I AUTO M ATISM O S CON SIÑ A LS9 A N A LÓ G IC A S
La función de transferencia equiva lente se obtiene como sigue:
S = A c= A (E - B S ) =
Figura 3.11. Bloques en serie.
S = '
. Bloques en serie. Los bloques en serie, o llamados •mbién en cascada, están dispuestos cgún el esquema de la figura 3.11. La función de transferencia que relaciona i salida final con la entrada se obtiene -ultiplicando las correspondientes funnes de transferencia de los bloques: T = S '/ E , = Tr T2- ...T „
(3.19)
■ Bloques en paralelo. « arios bloques diremos que están en -¿lelo cuando tienen la misma señal .. entrada y se suman algebraicamente *:>. señales de salida, según se repre-enta en la figura 3.12. La función de
-m
3.12. Bloques en paralelo.
transferencia equivalente se obtiene su mando las funciones de transferencia de los bloques: Tr = S / E = T l + T7 + .>. + T„
(3.20)
E
AE
1+ A B
A E
1+ A B (3.21)
(3.22)
Utilizando estas tres operaciones bá sicas entre bloques pueden transfor marse los diagramas de bloques para su simplificación o para su análisis.
Obsérvese que un signo menos en la suma de señales puede ser atribuido al propio nudo sumador o a la función de transferencia. Así pues, los dos diagra mas de la figura 3.13 son equivalentes. En la expresión (3.20) hemos supuesto que los signos negativos, caso de exis tir, estarían incluidos en las propias funciones de transferencia Tt. c) Bucle realimentado. La estructura realimentada corres ponde al esquema de la figura 3.14. Esta es la estructura típica de los sistemas en bucle cerrado descritos anterior mente en el capítulo 1. Hemos consi derado como más habitual que el nudo de entrada sea un nudo diferencial en vez de sumador ya que dichos sistemas persiguen, en general, una realimen tación negativa, con objeto de eliminar el error c. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que A y B son, por lo general, expresion.es complejas dependientes de la frecuencia y, por tanto, la diferen cia es entre dos magnitudes vectoriales o, si se quiere, entre números com plejos.
3.13. Equivalencia de bloques en paralelo.
3.7. B L O Q U E S D E P R IM E R Y D E SEG U N D O O RD EN La función de transferencia de un sistema o bloque suele ser una función racional del tipo: I + A | s +■A% 5* + ... + A „ s’1 7 (5 ) =
1 + Bi s + Bs s2+ ... + A„. s" (3.23)
Cada uno de los polinomios del nu merador y denominador se puede des componer. en general, en productos de polinomios de primer grado en s y de segundo grado en s2, dando la siguiente forma general a la función de trans ferencia: ( I + T, 5 ). . . ( 1 4- 2 o 7", s + 7 V 5 . . . 7 (5 ) = (1 + 7^ s ) . . . { 1 + 2 a
T, s + T 2 s 2 .. .
(3.24) Llamaremos términos o bloques de primer orden a aquellos que se derivan de los términos de primer grado en v y términos de segundo orden a aque-
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líos que dependen de un polinomio en r. Dicho en términos de frecuencia, la función de transferencia de un bloque de primer orden depende linealmente de la frecuencia y la de un bloque de segundo orden depende de la frecuen cia al cuadrado, ya que como hemos dicho el operador s de Laplace puede sustituirse por (j« ) a efectos de obtener la respuesta en régimen senoidal. Los bloques de primer orden res ponden, pues, a una función de trans ferencia que genéricamente será del
tipo:
(i + n )
TXs) = (1 + f s)
(3.25)
donde eventualmente puede faltar al gún término ya sea en el numerador o en el denominador. Obsérvese que cada uno de los factores de primer orden del numerador o del denominador depen de de un solo parámetro denominado constante de tiempo T, o 7j. Así por ejemplo el bloque de la figura 3.8 res ponde a este tipo de función de trans ferencia, tal como se ha visto en el apartado 3.5. Los bloques de segundo orden res ponden a una función de transferencia genérica del tipo;
71.s) =
(1 + 2 a,
tks
+ r,J í 3)
I + 2 a, r, .V + T : r )
hemos dicho que dicha relación es una función compleja cuya parte real e ima ginaria son. en general, dependientes de la frecuencia, o, si se prefiere, cuyo módulo y fase son funciones de la fre cuencia:
FD T —
S E
— ,-!(«) + j Bita)
(3.27)
Módulo de la F D T : | 7*| = yj(A7 + f f )
(3.28)
1r, I = 17; I -1r21- ... - I 7-J (3.31;
Fase de la F D T : 0 = are tg IB /A )
0, = 0, + 0, + ... + 0„
(3.29)
Resulta interesante representar grá ficamente el módulo y la fase de la fun ción de transferencia. Para ello puede utilizarse una representación en coor denadas cartesianas o en coordenadas polares. Los gráficos de amplitud y fase por separado, en función de la fre cuencia, se conocen como diagramas o gráficos de Bode, mientras que el grá fico que representa simultáneamente el módulo y la fase en coordenadas po lares se conoce como diagrama de Nyquisl. Ambos gráficos dan, en realidad, la misma información, por lo que, en lo que sigue, trabajaremos preferente mente con los de Bode.
(3.2b) 3.8.1. Gráficos de Bode donde pueden faltar también alguno o varios de los términos, tanto en el nu merador como en el denominador, mientras quede en alguno de ellos un término de segundo grado en ,í. Cada uno de los polinomios de segundo gra do depende ahora de dos parámetros, una constante de tiempo (77) o (7¡.) y un factor de amortiguamiento («,) o (a,). Como ejemplo de bloque de se gundo orden que ha aparecido ya en el texto tenemos el de la figura 3.7.
mente podríamos expresarlo como: 0 = Función (log m ) Obsérvese que la ventaja de emplear una escala de amplitudes de tipo lo garítmico está en que los gráficos de Bode de dos o más bloques en cascada son directamente sumables, En efecto, según el apartado 3.6, la función de transferencia equivalente a una serie de bloques es: = 7j •T2 ♦... - T„\ donde T, son cantidades complejas. Por tanto, si operamos por separado con su mó dulo y argumento se tiene:
Los gráficos de Bode consisten en una representación por separado del módulo y la fase de la función de trans ferencia en función de la frecuencia. El denominado ara/ico de amplitud representa el módulo de la F D T en decibelios [expresado sim bólicam ente como 17~| (dB)| en función del logarit mo de la frecuencia. Recuérdese que el módulo en decibelios se obtiene me diante la siguiente expresión logarít mica:
(3.32:
Si el módulo se expresa en decibe lios se tiene: = 20 log | 7; | = 20 log | 7) | +
T f lB )
+ 20
log | Ti | + ... + 20 log |T„| =
= 7j (
7íjw)= _ (jw7j)...(I +jwT)...( I +jw7j,) (j«7;,)...(i+jw7;)...( i+jwr,„)
3.8. R E P R E S E N T A C IO N G R Á FIC A D E LA FD T Recordemos una vez más que la fun ción de transferencia simboliza la re lación salida-entrada en caso de una entrada senoidal y para todo el rango de frecuencias. Para sistemas lineales
|F | (dB) = 20 log | F|
(3.30)
Asi pues, el gráfico de amplitud po dría decirse simbólicamente que repre senta: | T| (dB) = Función de (log w). El gráfico de fase representa el ar gumento de la F D T en función del lo garitmo de la frecuencia. Simbólica
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(3.341 Al expresar en forma logarítmica es función de transferencia, los product y cocientes se convertirán, respec vamente, en sumas y restas, resjtando:
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Figura 3.2 L Diagramas de fase de un sistema de pasn baja de segundo orden.
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Finura 3.26. Diagrama de fase de un bloque de corte de banda de segundo orden. Como ejemplo de la situación co mentada anteriormente basta observar 3 respuesta a un escalón de consigna Je un sistema de segundo orden (figura 22). Para el caso en que el valor de . es pequeño, la respuesta es una sennide amortiguada que dura tanto más .janto menor es el parámetro a, hasta egar a la oscilación pura para a = 0. én los casos de oscilación amortiguada *e suele decir también que el sistema i ' inestable y se procura corregirlo para atener un comportamiento dinámico más fiel posible a la señal de conigna y con una estabilización lo má• mo de rápida.
La estabilidad de un sistema en lazo cerrado puede estudiarse a partir de la representación de Bode de las F D T de la cadena directa y de realimentación. Supongamos, por ejemplo, que un sis tema presenta una F D T en la cadena directa AQ m ) y en la cadena de reali mentación B(jru), cuyos diagramas de amplitud y fase en función de la fre cuencia son los representados en la fi gura 3.30. A partir de los diagramas de ampli tud de los bloques A y B en decibelios, podemos obtener el diagrama de la F D T en lazo abierto \A(j) ■5(jw)](dB), simplemente sumando ambos. Análo
eurn 3.27. Diagrama de fase de un bloque de secundo orden pasa todo.
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gamente, el diagrama de fase se ob tendría sumando los desfases <¡>, y tp„. Ambos diagramas se han representado en la figura 3.31. Obsérvese que para m = w , e l módulo del producto {A ■B ) en deci belios vale cero, es decir, el módulo de A B es la unidad. Al mismo tiempo la fase de A B vale 180", con lo cual el producto A ■B resulta ser el número real —1 y el sistema en lazo cerrado se ria inestable para dicha frecuencia. En general, si disponemos de una representación de la F D T en lazo abierto como la indicada en la figura 3.32, donde no se da la condición de inestabilidad, podemos definir el mar gen de seguridad del sistema frente a la inestabilidad en términos de ampli tud o de fase mediante los siguientes parámetros: — Margen de amplitud: Es la mínima distancia, medida en decibelios, entre el módulo de la F D T en lazo abierto y el eje de 0 (d B) para to das aquellas frecuencias en que la fase de dicha F D T vale 180". — Margen de fase: Es la mínima dis tancia, medida en grados o radia nes, entre la fase de la F D T en lazo abierto y 180", para todas
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controlador digital, una vez conocidos en forma numérica los valores de con signa £(rv) y de la realimentación /?(f,) en un instante i, determinado, las ope raciones a desarrollar para obtener una acción de control C(rv) de tipo propor cional consisten simplemente en una resta y un producto, según indican las siguientes ecuaciones: d i.) = £(/,) - R d .)
(3.63)
C ÍO = K f ■d t.)
(3.64)
Debe resaltarse, sin embargo, que di chos sistemas digitales introducen ne cesariamente un retardo en su res puesta, ya que la propia adquisición en forma numérica de los valores £(/,) y C(r,) requiere un tiempo y el efectuar las operaciones indicadas anteriormen te toma también un tiempo. Por tanto, en todo sistema digital hay que tener presente que las señales que se ma nejan son las que hubo unos instantes antes E(tx ,), cuando se pretende ob tener C(r,) por ejemplo y que, por tan to, el sistema de control representa un retardo puro. Las observaciones anteriores tienen las siguientes consecuencias prácticas: — Deben mueslrearse las señales £(f) y R(t) a una frecuencia de dos a cuatro veces superior a la má xima frecuencia de variación de las mismas, de lo contrario se per derá información. Asi, por ejem plo, si se utiliza un autómata, debe conocerse el tiempo de mueslreo de los canales A/D que dan en trada a las señales para poder de ducir la máxima rapidez del sis tema a controlar. - El tiempo de respuesta del siste ma de con trol, in clu y e n d o la adquisición de datos mencionada antes, habrá de ser significativa mente menor que la constante de tiempo dominante de la planta a controlar. Estas observaciones hay que man tenerlas en mente, sobre todo cuando se trabaja con autómatas, ya que. en general, los tiempos de ciclo son relati vamente largos y, por tanto, se requie ren tarjetas de procesador específicas para realizar las funciones de control.
3.10.2. Acción integral El principal inconveniente de un re gulador que tuviera sólo acción pro porcional es que deja siempre un error por corregir, tanto mayor cuanto mayor es la banda proporcional. La acción in tegral permite, como veremos, anular este error, haciendo que la señal de control, C(r), crezca proporcionalmente al producto (error X tiempo). Podemos decir, pues, que un sistema con acción integral tiende a anular el error pro medio. La estructura de bloques de un re gulador de acción integral es la que he mos representado en la figura 3.34 y su comportamiento puede expresarse ana líticamente con una de las siguientes ecuaciones: d|C(r)J = Aj ¡ir) dr
C(r) = A,
i
(3.65)
e(r) d i
(3.66)
J<
La ecuación (3.66) nos indica que, en tanto que exista error entre la consigna y la realimentación, el sistema aumenta la salida, intentando la corrección del mismo. En el momento en que el error es nulo, el sistema mantiene el valor de salida constante. En términos de función de transfe rencia, aplicando la transformación de Laplace a cualquiera de las ecuaciones (3.65) o (3.66) resulta:
7( i ) = C¡ S¡ = K‘ = ' r(s) s T/S
(3.67)
Figura 3.34. Bloque de control integral.
La constante A'; se denomina cons tante integral y su inversa T, se de nomina constante de tiempo integral. La respuesta en régimen senoidal se puede obtener de forma inmediata sus tituyendo el operador v de Laplace por (ja), resultando entonces una F D T de! tipo (l/jw7’), cuyo diagrama de Bode eanálogo al representado en la figun 3.17. También puede obtenerse fácilmen' te la respuesta a un escalón unitario de d i), sin más que aplicar la transfor mada de Laplace. Para ello basta re cordar que la transformada del escalór unitario es l/.v (ver tabla 3.2) y, por tan to, la salida seria: I I 1 K, a*) = - _ ,= J s s T, s T, r
Mediante la transformada inverv. que podemos obtener de la tabla 3 obtenemos una respuesta temporal r forma de rampa, tal como se ha rept sentado en la tabla 3.3 junto con las otros bloques tipo. La expresión ani lítica de la señal de control para d ii1 entrada en escalón unitario seria: C(t) = K, t = t/T,
EO )
,0 ,
Erro r t(l)
K |-j t (t)dr
S e ñ a l de *onl rol C (t)_
R(t) R e a lt m e n io c r r in
al
Esquem a funcional
1M
K;
Ctrl
x¡ . R (t|
b)
Esq u em a sim bólico
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(3.H
Conviene también aquí indicar cu seria el tratamiento en el caso de a controlador digital y supuestos con* cidos en forma numérica los valores consigna £(/,) y de la realimentacu R (i.) en el instante 1,. Las operador* que debería efectuar el controlador p í obtener una acción de control C(r tipo integral son: d t.) - £
C o n s ig n o
(3.6*
a o -
(? H
d i,) - U ,- r,_ I:
Según la ecuación (3.71) la íntc-i se resuelve como una suma de err por incrementos de tiempo, dr-j (7, — r, |) es el tiempo transcurrido c l la toma de dos valores consecutivod i), llamado normalmente tiemp* mueslreo. Los controladores de tipo inle.i tienden, como se ha dicho, a elín* el error pero para plantas que pre-1 ten ur retardo de primer orden pue.-l
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dar lugar a funcionamiento inestable en lazo cerrado o, si se eligen cons tantes de tiempo altas, la respuesta di námica es excesivamente lenta.
S e ñol de Consigno
Erro r
ni
3.10.3. Acción derivativa
. = Tu — -
M 0
dr
_
dr(/)
dt
(3.72)
. ode K „ se denomina constante de jcción derivativa y es igual a la cons um e de tiempo derivativa Tn. F.n términos de función de transfe■cncia, aplicando la transformación de _jplace a la ecuación (3.72) resulta: n \ TU) =
d f lt )
co n tro l C (t) _
di
R(t) Reolimentoción
Las acciones proporcional e integral c<:udiadas anteriormente no permiten -volver de forma satisfactoria todos los - 'blemas de control. De la primera emos dicho que dejaba siempre un error permanente y de la segunda que podía causar inestabilidad o exceso de 'empo de respuesta. Precisamente la ‘cción derivativa complementa a las jos anteriores ayudando a obtener una espuesta dinámica más rápida (tiempo Je respuesta menor). La estructura de bloques de un re.-.ador de acción derivativa es la que ■emos representado en la figura 3.35. Dicha acción derivativa se caracteriza c * generar una señal de control pror»Tcional a la tasa de variación del error n el tiempo. Esto se puede - alíticamcnte con la siguiente ecuaoon: .. CU) = A.„
kD'
f„s , = rT„ s = K ÜS)
a)
R:
tíC A R R + l/j (t)C I + jw C R AR
S(jw) _
E( wj )
Esquem a funcional
j
(3.74) '(6
■ROI
b)
S(s) E(s) = T„ s
C (t )
Esquem a simbolice
¡•¡gura 1.35. Bloque de control derivativo. de un bloque derivativo puro. El valor de de/di en el instante t = 0 debería ser un impulso de amplitud infinita y duración cero (impulso unitario o de Dirac). expresarEs de prever que este tipo de respuesta, con valor infinito, será im posible de conseguir con componentes reales. Los circuitos derivadores reales suelen introducir un retardo, tal como veremos en el ejemplo que se plantea a continuación. Como ejemplo de bloque derivativo real podemos poner el circuito eléctrico de la figura 3.36. La función de trans ferencia es deducible de la teoría de
Figura 3,36. Hinque derivativo reul, incluyendo retardo de primer orden.
(3.73)
■respuesta en régimen senoidal se ; . .de obtener de forma inmediata sus• ... endo el operador s de Laplace por resultando entonces una F D T del • upuro, sino que la acción derivativa . ircce siempre combinada con un ret. do de primer orden. Para justificar -•:.i afirmación podemos considerar .. il debería ser la respuesta al escalón
circuitos clásica tratando el bloque de entrada al amplificador como un divi sor de tensión y considerando que la impedancia de entrada de éste es mu cho mayor que
If
donde
Tlt =
RC y
A
I
(3.75)
i + r,
RC
7j =
Obsérvese que la F D T puede des componerse en dos partes, una de ac ción derivativa pura ( T„ .5), donde T„ = = es la constante de tiempo de rivativa y otra (1/(1 + 7js). que co rresponde a un retardo de primer orden como el estudiado en el apartado 3.5, con una constante de tiempo 7,. La respuesta a un escalón de este bloque es la que se indica en la propia figura 3.36. Analíticamente esta res puesta se obtiene directamente de la tabla 3.2 hallando la transformada in versa de Laplace de S(s):
A RC
S(s) =
1
.5 1 + 7"|
s u ) = -r
(3.76) J
Oto
(3.77)
Para tiempos de respuesta de la plan ta muy superiores al retardo de primer orden podrá considerarse que el bloque es puramente derivativo. En cuanto a la implementación del bloque derivativo por métodos numé ricos, las operaciones a realizar por el controlador digital serían las siguientes:
HIJ
=R ) -
RU,)
(3.78)
a l Esquem a etéetnco
T( = R-C
b) R esp u esta al escalón
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Obsérvese que este tipo de implementación, para obtener un bloque de rivativo de tipo digital, tiene también siempre un retardo y presenta además un truncamiento si se sobrepasa el má ximo valor numérico permitido, por lo que es un derivador imperfecto por re tardo y saturación, al igual que sus ho mónimos de tipo analógico.
AUTÓMATAS PRO G RA M A RLES
3.10.4. Controladores P ID Tal como se ha dicho al principio del apartado, los controladores industriales suelen combinar los tres tipos de ac ciones básicas estudiadas, dando lugar a los conocidos reguladores de tipo PID. Et comportamiento de un controla dor P ID corresponde ni más ni menos que a la superposición de estas (res ac ciones. El comportamiento desde el punto de vista temporal sería, por tan to, el siguiente:
Obsérvese que la acción proporcio nal se supone que actúa sobre el total de la respuesta, de esta forma las cons tantes integral y derivativa representan siempre el peso relativo de cada una de estas acciones para una acción propor cional unidad, La ecuación (3.80) puesta en forma numérica nos indica el tipo de cálculos que deberá efectuar un controlador di gital de tipo P ID , cálculos que se re sumen en la ecuación siguiente:
CU,) = A',.
('(/) = A,, r(r) +
d i) dr +
(/—/M ) + K „ |f(L )- í< V ,)] d r(/)| +
(3.80)
d,
De la ecuación anterior podemos de ducir la siguiente función de transfe rencia:
m
= KP
7\s) = K P
I A- Kj + K„ s
1 -t- 7)
s
s+ T, s
7*/)
sA
(3.81)
(3.82)
Si se hallan las soluciones de la ecua ción del numerador, se puede poner esta ecuación en la forma:
Tlv) = K,.
(I + 7*, s H l -I- T„ s) T, v
(3.83) donde T4 y T„ son precisamente las so luciones de la ecuación de segundo gra do en s del numerador: 7*
(3.86)
En la mayor parte de casos la apli cación de controladores industriales se resolverá mediante un hardware están dar, ya sea autómata o regulador es pecífico, y el usuario deberá única mente programar o ajustar las constan tes Kp, A*, y K,y La ejecución en si es, por tanto, sencilla, aunque la elección de los mencionados parámetros no siempre es tan simple, pues suelen apa recer problemas de inestabilidad o de falta de rapidez. Muchos reguladores actuales suelen incorporar una función de autoajuste, denominada a veces «autoiuning», que se encarga de ajustar las constantes por aprendizaje o a base de inyectar ciertas señales de control que le permitan determinar el comporta miento de la planta. Flay que señalar también que la ma yoría de controladores digitales incor poran fórmulas correctivas para evitar excesivo rebasamiento o un compor tamiento demasiado brusco o incluso para cambiar las constantes A,. A', y Aj, en función de los valores de la planta, dando lugar a lo que se llama un con tra! adapta/iva
tinta de las empleadas hasta ahora en este capitulo, ya que a la entrada se tic-, nen magnitudes continuas y la salida en cambio, es de tipo lógico ( I o 0). L¡ función de transferencia es, pues, de tipo lógico, como se definió en el ca pítulo 2. En general, se trata de fun ciones de comparación o «bloques de comparación» como se definen en . mayoría de autómatas programables El diagrama de bloques de un sis tema todo o nada es como el que « indica en la figura 3.37. En él pued; verse que desde el punto de vista dj la entrada el sistema trabaja como mayor parte de sistemas que manejas magnitudes continuas, es decir, com-* parando una magnitud de consigna cc* una realimentación, pero su salida s de tipo lógico (pasa o no pasa). Las ecuaciones que expresan el con» portamiento del sistema son las guientes: ¿it) = E(t) - RU ) C(T) = 1 C (t ) = 0
En el caso de que 7j » 4 T„ se pue de aproximar la F D T del bloque P ID por la siguiente fórmula simplificada:
71j ) = a;
( I + T, ,v) ( I + 7*/) s)
T, x (3.85)
EU ) > RU) £*(/) < R (t) (3.8>
Este tipo de controles son aplicables en general, cuando la planta a contro, se comporta como un retardo de pr mer orden con una constante de tiera po muy grande. Un ejemplo típico constituye el termostato de algunos siv temas de climatización ambiental que no disponen de una regulación con:-
Figura 3,37. Bloque de control todo o nada.
Consigna
i >0 —C(t)s 1
C (l)
f < 0 - » C (U =0
Se ñ a l <¡e
control
R(!>
<7„ Ta) = 2' ± 7
si si
(3.81
Realimentación
3.11. C O N T R O L A D O R E S T O D O O NADA Un sistema de control todo o nada es aquel cuya salida o elemento de ac cionamiento de la planta tiene sólo dos posiciones: conectado y desconectado o, en general, máxima y mínima salida. La función de transferencia de este tipo de sistemas es completamente dis
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a)
Esquem a funcional
C(U
lo
no
«(«) b)
Esquem a simbólico
1 DISKÑO D I AUTO M ATISM O S CON S IÑ A L I8 A N ALÓ O ICAS
zables pero, en cualquier caso, el con trolador será tanto mejor, cuanto más se acerque a ellas. 3.12.1. Parámetros de evaluación
¡cura .1.38. Esquema simbólico de un controlador todo o nada con histéresis. nua de la potencia calorífica, sino sim plemente de un interruptor que co necta toda la potencia disponible o la desconecta. En la práctica este tipo de sistemas tienen una cierta histéresis o banda muerta en la cual no actúan. Esto equi vale a que las ecuaciones (3.88) sean como sigue: C(7j = 1
si
073 = 0
si
E(t) > R(l) + h/2 E(t) < lid) - li/2 (3.89)
donde li es la banda muerta o error umbral, por debajo del cual el sistema no reacciona. En estos casos el esque ma simbólico es el indicado en la figura 3.38. La evolución temporal típica de
Figura .139. Evolución de las señales en un sistema todo o nada eon histéresis.
E<0
C( t )
la señal de control y de salida de un sistema de este tipo se han represen tado en la figura 3.39.
3.12. E L E C C IO N D E L C O N T R O LA D O R Ó P T IM O Todo el estudio que hemos realizado anteriormente carecería de interés si no se extrajeran de él algunas conclusio nes relativas a la elección de contro ladores. Decimos elección y no diseño puesto que la mayoría de autómatas programables de gama media y alta in cluyen ya reguladores de propósito ge neral que permiten superponer los tres tipos de acciones básicas: proporcional, integral y derivativa. Así pues, el pro blema que se suele presentar a nivel de usuarios es el de aplicar un regulador ya diseñado, que debe «parametrizarse» de acuerdo con las necesidades de una aplicación concreta. El término «paramelrizar» empleado en el párrafo anterior debe interpretar se como sinónimo de elegir el tipo de controlador (P. Pl. PD o P ID ) y las constantes proporcional, integral y de rivativa con objeto de obtener la mejor respuesta posible de la planta. Otro aspecto a definir es lo que en tendemos por «controlador óptimo», pues bien, el comportamiento óptimo de un bucle de control se alcanza cuan do el sistema controlador reacciona tan rápidamente que la variable controlada no resulta influida por las perturbacio nes del sistema y sigue sin ningún re tardo ni oscilación los cambios de la variable de referencia o consigna. Estas condiciones son prácticamente inalcan
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En la práctica puede deducirse el comportamiento del sistema en lazo ce rrado frente a las perturbaciones a partir de la respuesta a ciertos estímulos de referencia, en general a partir de la res puesta a un escalón unitario. Así pues, la evaluación de la bondad de un sis tema de regulación puede hacerse a par tir de su respuesta al escalón. La figura 3.40 muestra la respuesta tipicu de un sistema en lazo cerrado a un escalón unitario. En el eje de or denadas se ha representado ei valor de salida SU ) referido al valor K de régi men permanente. Basándonos en ella vamos a dar varias definiciones de pa rámetros que caracterizan la bondad de un bucle de control cualquiera: Ganancia estática del sistema K : Es la relación entre el valor de la salida una vez alcanzado el régimen perma nente y la amplitud del escalón de en trada. En nuestro caso, puesto que he mos supuesto entrada unidad, sería di rectamente el valor K de la salida. Tiempo de relardo t„: Es el tiempo transcurrido desde la aplicación del es calón de entrada hasta que la salida alcanza el 10% de su valor perma nente. Tiempo de subida tr: Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza
Figura 3.40. Respuesta típica aI escalón y parámetros característicos.
AUTÓM ATAS PR O G R A M A R IA S
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D IS IftO D I AUTO M A TISM O * CO N S IÑ A LE S A N A LÓ G IC A S
90". La F D T del sistema en lazo ce rrado queda: T ls) =
71.v) /Tí ) F 71.9) fí.9 )
K,
l/Kf
1 + 7,/.4Ai,A, v (3.97)
Finura 3.41. Sistema ejemplo I: Compensación de un retardo con un controlador I.
T\s) P {s )
1
=—
(1 + O J ) ( T /A ) .9
La función de transferencia de dicha planta puede expresarse en la siguiente forma:
(3.93)
Según el apartado 3.9, el sistema se ria estable siempre que T, < A ■a y su F D T en lazo cerrado seria: 7,(.v) =
fts) -
~ (1 + 7*| s) ( I +7*2 s)
(3.95)
1
, (3.94) 1 + Tt/A s + (7*, a/A) s2
En este caso es conveniente utilizar un controlador P ID . cuya F D T se in dicó en la ecuación 3.83. Las constantes integral y derivativa deberán ajustarse de tal forma que anulen los retardos significativos de la planta (7*., = 7j y T„ = 7*2, siendo T, y TH las constantes de tiempo definidas en la ecuación 3.84), o en el caso de T, » 7¡ puede ponerse directamente T ,— 7j y /'„ = 7], con lo cual la F D T del lazo abierto queda:
Esta respuesta corresponde a un sis tema de segundo orden de paso bajo, en el cual se obtiene la respuesta lo más plana posible sin rebasamiento si se elige la constante de integración 7 = 2 ■A ■<7, con lo cual el factor de amortiguamiento sería a = \/sjl, valor que según el gráfico de la figura 3.20 es el óptimo en cuanto a rapidez. Ejemplo 2 Supóngase un sistema como el re presentado en la figura 3.42, en el cual a planta contiene dos retardos de pri mer orden significativos o un retardo .gnificativo y varios retardos poco sig nificativos que en conjunto suman uno gnificativo 7*,. Supondremos además que 7j < 7*2.
7[s) TTs) = KP (-- + T ' S) - 1 + TJ - x
Ti s
x
____ ± _ _ A Kp (1 + 7j v) ( I + T? S) T, v (3.96)
Este sistema es inherentemente es table, ya que no contiene términos en r y, por tanto, el margen de fase es de
Fi¡p/ra 3.42. Sistema ejemplo 2: Compensación de dos retardos con un controlador PID. P L ANTA
P ID
-
- -^ /\ T2
Es decir, en régimen permanente el sistema se comporta como proporcio nal con una ganancia 1!K , y en cuanto al régimen transitorio se comporta como un retardo puro, con una cons tante de tiempo T jK /A K , tanto menor cuanto mayor es la constante propor cional. Por tanto, teniendo en cuenta que A K, será, en general, un factor próximo a la unidad, la salida tiende a seguir la consigna con un retardo mí nimo T /K r Ejemplo 3 Por último consideremos el caso más general de una planta con una F D T como la indicada en la ecuación 3.98, es decir, conteniendo un término ¡ntegrador puro y dos retardos signifi cativos-
f\ s)
=
1 (T„ .9) •(1 + 7j s) • (1 + 7*3 j) (3.98)
Si se aplica el método de optimiza ción anterior, se obtendrá una F D T en lazo abierto del tipo: 7(.v) ñ s ) =
T T, c
(3.99)
Por tanto, según el apartado 3.9, el sistema oscilaría con una pulsación propia oí = •/( T„T¡). Para evitar esto, se ría preciso introducir alguna red, /?(.r), de tipo derivativo en la cadena de rea limentación, con una constante de tiempo igual a 7*„, con lo cual el pro ducto 7\s) ■H{s) ■B ( s j resultaría idén tico al caso del ejemplo 2. 3.12.4. Conclusiones
kf Como conclusión de los ejemplos anteriores podemos decir que un re gulador P ID es capaz, en general, de compensar sistemas con dos retardos
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AUTÓMATAS NtOGRAMASLIS
significativos, simplemente cancelando las constantes de tiempo con las cons tantes integral y derivativa. Este método tiene una excepción im portante en el caso de que la planta contenga una com ponente integral pura, pues en tal caso queda un de nominador en r sin término en x y esto indica que el sistema sería oscilante. Para este caso deben introducirse redes de avance de fase adicionales en el cir cuito de realimentación. Así pues, el tema de elección de un controlador óptimo, no siempre es un tema fácil. En algunos casos típicos como los que hemos estudiado son cla ros los criterios a seguir, pero en otros el tema se escapa del ámbito de este texto.
3.13. R E S U M E N A lo largo de este capitulo hemos estudiado el comportamiento de los sistemas de control que tratan con se ñales continuas, aunque en muchos ca sos tratadas mediante controladores numéricos o digitales. Tal como se dijo al principio, el estudio detallado de este tema es objeto de tratados completos y requiere un cierto bagaje matemático que aquí hemos procurado reducir al mínimo. Nuestro propósito al incluir
este capitulo ha sido sólo el de intro ducir los conceptos básicos utilizados en regulación, para poder tratar en los capítulos posteriores de las tarjetas de regulación de las que suelen disponer la mayoría de autómatas programables de gama media y alta. La mayor parte de los sistemas de control industriales son sistemas en lazo cerrado y ello entraña un cierto peligro de oscilación o de excesiva len titud de respuesta si no se elige con venientemente el regulador acorde con las características de la planta que se desea regular. Hemos deducido que la acción pro porcional en un sistema de lazo cerrado permite acercar la salida al valor de consigna, pero deja siempre un error permanente sin corregir, tanto mayor cuanto menor es la constante propor cional. Según se ha visto, algunos sis temas pueden oscilar, incluso con un control proporcional y. por lo tanto, hacen falta los otros tipos de acciones: el integral para compensar el error permanente y el derivativo para corre gir ciertas inestabilidades o para mode rar los gradientes de la magnitud de salida. Los reguladores comerciales o aque llos incorporados a los autómatas pro gramables suelen ser reguladores de propósito general que permiten super
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poner los tres tipos de acciones básica^ proporcional, integral y derivativa. B problema básico que debe resolver a usuario es el de parametrizar dicho re guiador de acuerdo con las necesidad:: de la planta a controlar. Para ello • han dado unos criterios para la eleccio del regulador más adecuado en caed caso o si se prefiere criterios para elección de las constantes del regulad'P ID óptimo, criterios que son necs sariamente muy generales, dado que • limitado de nuestro estudio no nos pemite una gran profundidad en el temAlgunos procesos complejos requei rán, pues, un estudio más profund para poder obtener dicho regulador <■: timo.
3.14. R E F E R E N C IA S |l| Kuo. Benjamín C.. Sistemas Automáticos Control. CF.CSA (2‘ Edición 1970). (2| Ogata, K.atsuhiko. Ingeniería de Control X derna, Prenticc-Hall (1980) (3| Prohr, Friedrich y Orttenburger, Introduce* al Control Electrónico, Marcombo, S.A. s< mens (1986). |4| Ras. Enrique, Teoría de circuitos Malcomí S.A, (1969) |5| Ras. Enrique. Análisis de Fourier y Cále Operacional Aplicados a la Electrotecnia. N» combo, S.A, (1979), |6| Pizziola, Antonio. Electrónica industrial y * vomecanismos. Ediciones Don Bosco (19'-
PARTE II EL A U TÓ M A TA PROGRAMABLE
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ARQUITECTURA IN TERN A DEL AUTÓMATA
4 . ARQUITECTURA INTERNA DEL AUTÓMATA 4.1. IN T R O D U C C IÓ N Un autómata programable industrial A P I) es un equipo electrónico de conful con un cableado interno (bard are) independiente del proceso a con•miar, que se adapta a dicho proceso mediante un programa especifico (sol’tare) que contiene la secuencia de peraciones a realizar. Esta secuencia Je operaciones se define sobre señales ,e entrada y salida al proceso, cableá is directamente en los bornes de co nexión del autómata. Las señales de entrada pueden pro-íder de elementos digitales, como lí ales de carrera y detectores de propinidad, o analógicos, como sensores Je temperatura y dispositivos de salida :-n tensión o corriente continuas. Las señales de salida son órdenes di-itales todo o nada o señales analógicas :n tensión o corriente, que se envían - los elementos indicadores y actua les del proceso, como lámparas, coníctores, válvulas, etc. El autómata gobierna las señales de -alida según el programa de conlroi revíamenle almacenado en una me-■'oria, a partir del estado de las señales Je entrada. Este programa se introduce en el aumata a través de la unidad de pror mación, que permite además fiun. nes adicionales como depuración de -'■agramas, sim ulación, monitorizan. control del autómata, etc. Una característica diferenciadora del \PI frente a otros sistemas de control -r. (gramables está en la estandarización . su hardware, que permite la confi guración de sistemas de control «a mo lda», según las necesidades estimadas Je potencia de cálculo y número y tipo de señales de entrada y salida. El autómata se configura alrededor de una unidad central o de control, que, unida por medio de buses internos a is interfaces de entrada y salida y a las memorias, define lo que se conoce
como arquitectura interna del autó mata. Según las soluciones constructivas adoptadas, esta arquitectura puede to mar distintas configuraciones, que se rán objeto de estudio en un capitulo posterior. En éste, se definen los blo ques constitutivos del autómata, y sus características más relevantes.
4.2. B L O Q U E S E S E N C IA L E S D E UN AU TÓ M ATA Un autómata programable se com pone esencialmente de los siguientes bloques (figura 4.1): • Unidad central de proceso o de con trol, C PU . • Memorias internas. • Memoria de programa. • Interfaces de entrada y salida. • Fuente de alimentación. La unidad de control consulta el es tado de las entradas y recoge de la me moria de programa la secuencia de ins
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trucciones a ejecutar, elaborando a par tir de ella las señales de salida u ór denes que se enviarán al proceso D u rante la ejecución del programa, las ins trucciones son procesadas en serie, una tras otra. La unidad de control es también la responsable de actualizar continua mente los temporizadores y contadores internos que hayan sido programados. La memoria del autómata contiene todos los datos e instrucciones que ne cesita para ejecutar la tarea de control. La memoria interna es la encargada de almacenar datos intermedios de cál culo y variables internas que no apa recen directamente sobre las salidas, así como un reflejo o imagen de los últi mos estados leídos sobre las señales de entrada o enviados a las señales de sa lida. La memoria de programa contiene la secuencia de operaciones que deben realizarse sobre las señales de entrada para obtener las señales de salida, asi como los parámetros de configuración del autómata. Por ello, si hay que in troducir alguna variación sobre el sis-
lema de control basta generalmente con modificar el contenido de esta me moria. Las ínterfaces ele entrada y salida es tablecen la comunicación del autómata con la planta. Para ello, se conectan, por una parte, con las señales de pro ceso a través de los bornes previstos y, por otra, con el bus interno del autó mata. La interfaz se encarga de adaptar las señales que se manejan en el pro ceso a las utilizadas internamente por la máquina. La fuente de alimentación proporcio na, a partir de una tensión exterior, las tensiones necesarias para el buen fun cionamiento de los distintos circuitos electrónicos del sistema. En ocasiones, el autómata puede disponer de una ba tería conectada a esta fuente de ali mentación, lo que asegura el mante nimiento del programa y algunos dalos en las memorias en caso de interrup ción de la tensión exterior. Se conoce como bus interno al con junto de líneas y conexiones que per miten la unión eléctrica entre la unidad de control, las memorias y las inter faces de entrada y salida. Un bus se compone de un conjunto de hilos o pis tas utilizadas para intercambiar datos u órdenes (por ejemplo, el contenido de celdas de memoria o las instrucciones de la unidad de control). Para minimizar el número de co nexiones y dado que la unidad de con trol, que organiza el tráfico por estos hilos, sólo puede comunicarse con sus periféricos de una forma secuencial, uno tras otro, el conjunto de hilos del bus es común y compartido por todos ellos. Esta estructura exige que en lodo momento sólo pueda haber un peri férico ocupando el bus, ya que de lo contrario se mezclarían los datos en viados por varios de ellos o se recibi rían en un periférico datos que no le corresponden. Los tres buses característicos de un sistema digital (figura 4.2). bus de da los, por el que tienen lugar las trans ferencias de datos del sistema, bus de direcciones, a través del cual se direccionan la memoria y el resto de los pe riféricos, y bus de control, constituido por todas las conexiones destinadas a gobernar los intercambios de infor mación, se reunifican en el autómata
M EM O RIA RAM lectura / e s c ritu ra
M EM O RIA ROM le c tu r a
_ ¡T T H T
fí u 1
Bus in tern o del a u tó m a ta
O
I I
u r r C PU
- d ireccio n e s
1 ro ~ T T z z
Bus de dato s Bu s de contrcP
U U U IN T E R F A C E S
E/S
Figura 4.2. Estructura de conexión mediante buses. en uno sólo, que recibe el nombre de bus interno. El número de líneas de este bus depende de cada fabricante. Se considera también como bus del autómata cualquier conexión entre blo ques o módulos que no necesite de procesadores específicos de comuni caciones en sus extremos, como, por ejemplo, el cable de conexión entre el autómata y una unidad externa de ex pansión de E/S,
4.3. U N ID A D C E N T R A L D E P R O C E S O , C PU La C P U («Central Processing Unit»), construida alrededor de un sistema mi croprocesador, es la encargada de eje cutar el programa c/e usuario y de or denar las transferencias de información en el sistema de entradas/salidas. Aóicionalmenle, puede también es tablecer comunicación con periféricos externos, como son la unidad de pro gramación. monitores l.E D / L C D o T R C , otros autómatas u ordenadores, etcétera. Para ejecutar el programa, la C P U adquiere sucesivamente las instruccio nes una a una desde memoria, y realiza las operaciones especificadas en las mismas. El funcionamiento es, salvo escasas excepciones, de tipo interpretado, con decodificación de las instrucciones cada vez que son ejecutadas.
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Esta decodificación puede realizara mediante un sistema de iógica estánda' con microprocesador más memoria, < i puede estar microprogramada por harú ware (cableada) en el propio procese dor, según diseño propio del fabricante utilizando tecnologías «custom» o per sonalizadas. La primera solución, mabarata, es la más frecuente en autó matas de gama baja, mientras que b segunda, con mayores costes de diseñ< y desarrollo, es propia de autómatas d¡ gamas medias y altas, donde el incre mento de precio queda compensad'' por los bajos tiempos de ejecución de instrucciones, mucho menores que en la solución estándar (décimas de nn crosegundo frente a decenas de micro segundos). En cualquier caso, esta de codificación interna de instrucciones e transparente al usuario, que no puet/ modificarla en ninguna forma. Al - además especifica de cada fabricant que elige el lenguaje de programacic.* que soportará su autómata (¡nslrucci'nes, conLactos o símbolos gráficos) y l forma en que se interpretan sus intrucciones, la decodificación no sólo li mita los lenguajes disponibles de pro gramación, sino que es la responsable de que no todas las C P U pueden eje cutar los mismos programas, aunque hayan sido escritos en el mismo len guaje, impidiendo, en definitiva, el in tercambio de programas entre autó matas diferentes. En algunos casos, la decodificación
ARQUITECTURA IN TERN A DEL AUTÓMATA
se realiza con la ayuda de una memoria exterior (intérprete), de la que pueden existir distintas versiones dentro de una misma familia de autómatas, ofrecien do una amplia gama de posibilidades como: • Modificación del lenguaje de progra mación. • Tratamiento de señales analógicas. • Manipulación de textos. • Algoritmos de control en lazo cerra do, etc. Esta solución aumenta la flexibilidad del sistema, pero incrementa también ios tiempos de ejecución (los quintulica, aproximadamente), al tener que Jecodificar las instrucciones según las indicaciones de una memoria exterior . onectada al bus. La figura 4.3 muestra los bloques jndamentales de una C P U . donde se *;onocen los siguientes: - A LU . «Aritmetic Logic Unit», en cargada de realizar las operaciones aritméticas y lógicas (combinacio nes Y, O, sumas, comparaciones, etc.). Acumulador, que almacena el re sultado de la última operación realizada por la A L U . I'iags, o indicadores de resultado de operación (mayor que, positi vo, negativo, resultado cero, etc.). El estado de estos fiags puede ser consultado por el programa.
Contador de programa, PC («Program Counter»), encargado de la lectura de las instrucciones de usuario y, por tanto, de la se cuencia de ejecución. Esta se cuencia puede ser modificada con el juego de instrucciones de sallo. Dccodificador de instrucciones y secttenciador. cableado y/o progra mado, donde se decodifican las instrucciones leídas en la memo ria y se generan las señales de control. Programa RO M monitor del siste ma, donde se almacena la se cuencia de puesta en marcha, las rutinas de test y de error en la eje cución. etc. — Opcionalmente, un cariucho de memoria R O M externa, que con tendría una ampliación del intér prete incorporado, a fin de que la C P U pudiera decodificar y eje cutar instrucciones complejas o escritas en lenguajes de progra mación más potentes.
Algunos autómatas incluyen junto al acumulador los registros de pila, que permiten almacenar resultados parcia les del programa (obtenidos mediante instrucciones particulares de paréntesis o bloques) antes de operar con ellos y asignar el resultado a una salida. La combinación de la C P U con la memoria interna, imagen de entradas/ salidas, y de programa de usuario, es conocida también con el nombre de
unidad de proceso o tarjeta central, aun que algunos fabricantes denominan por extensión al conjunto simplemente CPU Dada la diversidad de funciones que debe realizar la C PU , aparece, en au tómatas de gamas medias y altas, una subdivisión y reparto de tareas en la misma, a fin de optimizar su funcio namiento. Esta subdivisión puede realizarse de dos formas.
- arquitectura de coprocesador. — estructura de control distribuido mediante el empleo de módulos inteligentes. Para la primera solución se disponen varios microprocesadores que ejecutan el programa de forma concurrente, tra bajando en paralelo y mejorando sig nificativamente las prestaciones del sis tema en cuanto a rapidez y potencia de cálculo. En el control distribuido con mó dulos inteligentes se conectan al bus procesadores específicos especializados en tareas como la medida y regulación de temperatura, control de posición, conexión con otros procesadores den tro de una red local, etc., lo que per mite traspasar ciertas funciones, nor malmente criticas en el tiempo, a estos periféricos inteligentes (denominados así porque incluyen sus propios pro cesadores y memorias), descargando al procesador central de unos procesos a los que no podría atender con la ne cesaria rapidez. Ambas soluciones, estructuras de coprocesadores y conexión de módulos inteligentes, pueden coexistir en algu nos modelos de autómata, proporcio nando una superior potencia de cál culo, capacidad y rapidez en la ejecu ción. En el capítulo 6, dedicado a las con figuraciones del autómata, se abunda sobre el tema de configuraciones de la unidad central
4.4. M E M O R IA D E L AU TÓ M ATA La memoria de trabajo es el almacén donde el autómata guarda todo cuanto necesita para ejecutar la tarca de con trol
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AUTÓMATAS M O O R A M A B L IS
• Dalos (/<'/ proceso — Señales de planta, entradas y sa lidas. — Variables internas, de bit y de pa labra. — Datos alfanuméricos y constantes. • Datos del control — Instrucciones de usuario (progra ma). — C o n fig u ra c ió n del au tóm ata (modo de funcionamiento, nu mero de entradas/salidas conec tadas, etc.).
En general, toda esta información, incluyendo el programa de usuario, está contenida en memorias de semicon ductor. Una memoria de semiconductor es un dispositivo electrónico capaz de al macenar datos binarios (señales de ni veles altos y bajos, «unos» y «ceros», denominadas bits), que pueden ser leí dos posición a posición (bit a bit), o por bloques de ocho (byte) o dieciséis po siciones (word). La memoria ideal para el autómata debería ser simultáneamente rápida, pequeña, barata y de bajo consumo de energía. Como ninguna de las memo rias del mercado reúne todas estas con diciones. los autómatas combinan dis tintos tipos de ellas. Una clasificación de memorias, aten diendo a sus características de lectura y escritura, podría ser la que aparece a continuación: — M em orias de lectura/escritura. RAM . — Memorias de sólo lectura, no reprogramables. R O M . — Memorias de sólo lectura, reprogramables, con borrado por ultra violetas. E P R O M . — Memorias de solamente lectura, alterables por medios eléctricos, EF.PRO M Las memorias de lectura/escritura, R A M , pueden ser leídas y modificadas cuantas veces sea necesario a través de los buses internos, y de forma rápida. Sus inconvenientes son su relativa mente baja densidad de integración (poca capacidad de almacenamiento) y, sobre todo, su carácter volátil, que pro
voca la pérdida de información cada vez que cae la tensión de alimentación. Las memorias R A M se utilizan prin cipalmente como memorias de datos internos, y únicamente como memo rias de programa en el caso de que pue da asegurarse el mantenimiento de los datos con una baleria exterior. Las memorias de sólo lectura no reprogramables, RO M , no pueden ser modificadas en ninguna forma. Dentro del autómata, las memorias R O M se utilizan para almacenar ei programa monitor, que contiene las siguientes ru tinas, incluidas por el fabricante: — inicialización tras puesta en ten sión o reset, — rutinas de test y de respuesta a error de funcionamiento, — intercambio de información con unidades exteriores, — lectura v escritura en las interfaces de E/S. Además, este monitor puede con tener el intérprete del programa de usuario, si existe. El contenido de esta memoria no es accesible desde el exterior. Las m em o rias reprog ram ab les, E P R O M , son memorias de sólo lectura que pueden programarse con un cir cuito especial, después de borrar su contenido. Las células de memoria son borradas con luz ultravioleta que pe netra en el chip a través de una ventana de cuarzo en su cara superior. Este pro ceso obliga a su extracción del autó mata y, por tanto, a la interrupción del funcionamiento. Normalmente, estas memorias se utilizan para almacenar el programa del usuario, una vez que ha sido convenientemente depurado. Las E E P R O M o memorias reprogra mables son memorias de sólo lectura alterables por medios eléctricos, es de cir. reprogramables sobre el propio cir cuito. sin necesidad de extracción y bo rrado exterior, Los procesos específicos de almacenamiento y borrado de las memorias E E P R O M hacen que los tiempos de acceso pura lectura, y es pecialmente para escritura, sean largos en comparación con los correspondien tes a las memorias R A M / E P R O M . Sin embargo, desde el punto de vista del usuario, estos inconvenientes no lo son tanto, y para él. en definitiva, las me
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morias E E P R O M combinan la no vo latilidad de las memorias R O M > E P R O M con la reprogramabilidad de las memorias R A M , que les permite ser modificadas directamente sobre el cir cuito mediante señales eléctricas. Hay que advertir, sin embargo, qu: el número de operaciones de borra do/escritura está limitado a alguno» cientos de miles, por lo que estas me morias, utilizadas como área interna d trabajo, se destruirían con rapidez baj* la acción del procesador. Así, las memorias E E P R O M se co plean principalmente para almacén./ programas, aunque en la actualidad es cada vez más frecuente el uso tic combinaciones R A M + E E P R O M , uti fizando estas últimas como memorU de seguridad que salvan el contenid-. de las R A M en caso de interrupción de suministro eléctrico. Una vez reanu dada la alimentación, el contenido c: la E E P R O M se vuelca de nuevo R A M , con lo que el autómata pued: continuar en el mismo punto del pr grama en que fue interrumpido por pérdida de tensión. Las soluciones de este tipo están sutituyendo a las clásicas R A M + baten, que, pese a ser profusamente utiliza das, no dejan de presentar problema de mantenimiento. La figura 4.4 muestra una clasifica ción de las memorias empleadas en ¿ autómata, con la aplicación que se d: a cada una de ellas. Atendiendo a su conexionado, lamemorias de trabajo pueden ser com pactas, incluidas en el propio uutómai. y conteniendo todos los datos e ins trucciones de control, o, lo que es ma* frecuente, modulares y ampliables me diante cartuchos o tarjetas externas qut contienen o amplían el programa y li dióos alfanuméricos. 4.4.1. Memorias internas F.n un autómata programablc, ni moría ¡mema es aquella que almacén, el estado de las variables que m a n o el autómata: entradas, salidas, conta dores, relés internos, señales de estado etc. La memoria interna, de longitud in variable para cada modelo de aufi mata, fija sus características funcionales en cuanto a capacidad de dirección;
I analizada la ejecución, la C PU transfiere a las interfaces de sa lida los estados de las señales contenidos en la memoria ima gen de salidas, quedando el sis tema preparado para comenzar un nuevo ciclo (figura 4.5c). La secuencia real en el autómata no es exactamente la indicada, ya que para optimizar los tiempos de acceso a las interfaces, los procesos de lectura de entradas y escritura de salidas se el'cc-
Figura 4.5, Acceso a las memorias imagen de entradas y salidas.
- .iento E/S, y número y tipo de varia-1es internas manipuladas. Por esta razón, la clasificación de la memoria interna no se realiza aten ; endo a sus características de lectura escritura, sino por el tipo de variables .je- almacena y el número de bits que cupa la variable. Asi, la memoria inerna del autómata queda clasificada en - siguientes áreas: Posiciones de I hit (bits internos) Memoria imagen de entradas/sa lidas. Relés internos. Relés especiales/auxiliares.
*
Posiciones de S, Ib o más bits (re internos) Tempo riza do res. — Contadores. Otros registros de uso general.
Después de ejecutar el programa, la C P U ordena el intercambio de señales entre las interfaces E/S y la memoria imagen, de manera que. mientras dura la ejecución, los estados de las señales de entrada considerados para el cálculo no son los actuales de planta, sino los presentes en la memoria imagen leídos en el ciclo anterior. De la misma manera, los resultados obtenidos en el cálculo no van direc tamente a la interfaz de salidas sino a la memoria imagen, realizándose la transferencia global de todas las señales (lectura de entradas y escritura de sa lidas) cuando finaliza cada ejecución del programa. En definitiva, el tratamiento de las señales de entrada y salida a través de las memorias imagen discurre así;
Las variables contenidas en la me - ria interna pueden ser consultadas modificadas continuamente por el ' igrama, cualquier número de veces. Esta actualización continua de los - iios obliga a construir la memoria con - -aositivos R A M . 'I área de memoria imagen almacena * últimas señales leídas en la entrada ■ enviadas a la salida, actualizándose .:■> cada ejecución completa del pro grama.
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Figura 4.6. Secuencia de ejecución del programa de usuario. túan consecutivamente, según muestra la figura 4.6. Las posiciones de la memoria ima gen son denominadas puntos E/S («I/O points»), y su número es variable de pendiendo del modelo de autómata y de la configuración del sistema. Pre cisamente, una clasificación frecuente de autómatas hace referencia al nu mero de puntos E/S que la C P U puede manejar. Así, se habla de autómatas de gama — baja, con E/S < 256, — mediana, con 256 < E/S < 1024. o — alta, con E/S > 1024. F.1 resto de la memoria interna, ex cluyendo estas memorias imagen, se utiliza, en general, como memoria de datos, relés internos y registros inter nos. Entre estos últimos se encuentran algunos de tipo singular como los lemporizadores y contadores. Los relés internos ocupan posiciones R A M de I bit, y son utilizados como área de datos temporales, como salida de resultados de operaciones interme dias, y para controlar otros bits o re gistras. temporizadores y contadores. Estos relés internos no están asociados a ningún borne, por lo que no pueden controlar cargas externas si no son an tes transferidos a un punto E/S. Algunas posiciones correspondientes
a relés internos están mantenidas por batería y protegidas contra pérdidas de tensión. Las direcciones correspon dientes a estos relcs protegidos («holding relays») están claramente especi ficadas en los catálogos del fabricante. Los relés auxiliares/especiales se co locan también sobre posiciones de I bit, y guardan señales del sistema, como relojes (en diferentes bases de tiempo), bits de control, flags de es tados de la C P U , e información sobre el autómata (Run. Stop. Ilalt, errares, etcétera). Estos relés pueden consultarse y uti lizarse desde el programa de usuario, para sincronizar el funcionamiento, responder de forma automática a las variaciones de estado en el autómata, etcétera. E l área de temporizadores v conladores ocupa posiciones de 16 o más bits, capaces de almacenar los valores de preselección y estado actualizados de estos elementos, valores que normal mente se presentan al usuario bajo co dificación BC.D entre 0000 y 9999. El área de registros internos se utiliza para almacenar y manipular palabras de datos y valores numéricos, y es úni camente accesible en unidades de byte o de palabra, por medio de instruccio nes aritméticas y de manipulación de datos. Este área contiene también los va lores de los registros de desplazamien to, que pueden ser leídos como pala bras, o posición a posición (bit a bit). La mayoría de autómatas permite mantener la información de registros, incluyendo temporizadores y contado res, protegida contra pérdidas de ten sión, de forma análoga a la comentada para relés internos. Esta protección se realiza bien de forma automática, bien programando la opción sobre algunos relés especiales. 4.4.2. Memoria de programa La memoria de programa, normal mente externa y enchufable a la C P U . almacena el programa escrito por el usuario para su aplicación. Adicional mente puede contener datos alfanuméricos y textos variables, y también información parametrizada sobre el sis tema, por ejemplo nombre o identificador del programa escrito, indicacio
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nes sobre la configuración de E/S o so bre la red de autómatas, si existe, etc Cada instrucción del usuario ocupa un paso o dirección del programa y ne cesita, normalmente, para ser almace nada. dos posiciones de memoria de. semiconductor (dos byte,si. La capaci dad total del programa de usuario de pende del tipo de C P U utilizada, y pue de oscilar entre los I K pasos de un autómata compacto hasta algún cen tenar de «.instrucciones en un autó mata de gama alta. Las memorias de usuario son siem pre de tipo permanente R A M + balen*, o E P R O M / F .E P R O M . Por lo genera', todos los fabricantes de aulómatofrecen la posibilidad de utilizar me morias R A M con batería para la fasede desarrollo y depuración de los pr -i gramas, y de pasar éstos a memorias n ; volátiles E P R O M o F.F.PROM una ve;finalizada esta fase. Estas memorias no volátiles se Su-I ministran como cartuchos enchufabl: al autómata («memory packs») en : . zócalo previsto sobre la C P U , o com ' tarjetas de memoria a conectar en s bastidor, ocupando una posición d . ‘ mismo. La ejecución del programa en el m -j dulo es siempre prioritaria, de forr: i que si se da tensión al autómata c<~ un módulo conectado, la C P U ejecuisu programa y no el contenido en m .' moría R A M interna. La transferencia del programa a l í módulos de memoria (grabación) - : realiza bajo control de la unidad da programación, y puede hacerse sobre I autómata o sobre la misma unidad oa programación, según el modelo con-: siderado. E l conjunto de direcciones corres pondientes a todas las posiciones ¿4 memoria que puede direccionar J C P U , es decir, de toda la memoria C= ■ trabajo, se denomina en el autómaiJ mapa de memoria. La longitud de este mapa de ni.-moría depende de tres factores:
— La capacidad de direccionamien: < de la C P U , que determina el nu mero de direcciones asignadas 4 los dispositivos internos. — El número de entradas/salidas c nectadas, que determina la lon gitud de la memoria imagen E/5.
DIL AUTÓMATA
MAPAS DE MEMORIA
MEMORIA DE TRABAJO
MONITOR M EM O RIA IN T E R N A
BITS
PALABRAS
S IE M E N S S5-155U(CPU9A6/9A7)
NO A C C E S IB L E AL U SU A RIO
Siste m a o p e ra tiv o
Im agen E /S Rele’s in te r n o s
1ZUMI MiCPO-1
2K puntos* E / S
28 p u n to s E / S
2K
2S6
T e m p o ru ad o re s C o n ta d o re s R e g is tr o s in te rn o s
80
» K ? Í6O0 p ú so s)
I M EM O RIA EX T E R N A
¡p r o g r a m a ;
In s tru c c io n e s P a rá m e tro s
PROGRAMA
In s t r u c c io n e s P a rá m e tro s
• Por el aislamiento: Con separación galvánica (optoacopladorcs). — Con acoplamiento directo.
S IN
M EM O R IA
• Pot la forma de comunicación ron la unidad central: — Comunicación serie. Comunicación paralelo, • Por la ubicación: — Locales. — Remotos. En la gama de pequeños autómatas, el tipo de interfaces disponibles suele ser más limitado, siendo las más fre cuentes, clasificadas por entradas y sa lidas, las siguientes:
E XTERNA
DATOS
Entradas: — Corriente continua a 24 o 48 V,.( — Corriente alterna a 110 o 220 V, v — Analógicas de 0-10 V a o 4-20 mA.
C o n sta n te s Te> to s
• E l a u t ó m a t a d ire c c io n a 6K pu ntos E /5 a d ic io n a le s s in im a g e n de p r o c e s o •• E l u s u a r io d e c id e el re p a rta e n tr e p r o g r a m a s y d a to s
•gura 4.7. Estructura típica de un mupa de memoria y ejemplos
— La longitud de la memoria de usuario utilizada. Dada una C P U concreta, la longi; jd total del mapa de memoria está •lempre limitada a un determinado va•ur. La figura 4.7 muestra la estructura pica de la memoria de trabajo de un .ulómata, y los mapas de memoria reultantes para dos autómatas tomados como ejemplo: el microautómata com pacto de bajo coste I7.UM1 M ICRO -! el gran autómata modular de pro cesos S IE M E N S S5-155U.
4.5. IN T E R F A C E S D E EN TR A D A Y SA LID A Las interfaces de entrada y salida esiblecen la comunicación entre la uni dad centra! y el proceso, filtrando, adaptando y codificando de forma '..omprensible para dicha unidad las se dales procedentes de los elementos de entrada, y decodificando y amplifican
do las señales generadas durante la eje cución del programa antes de enviarlas a los elementos de salida. Dada la enorme cantidad de varian tes que pueden presentarse en las se ñales de proceso, es evidente que de berá existir también un gran número de tipos de interfaces, tanto de entradas como de salidas. Estas interfaces pueden clasificarse de diferentes formas, según se muestra a continuación. • Cor el tipo de señales: — Digitales de 1 bit. — Digitales de varios bits. — Analógicas. • Por la tensión de alimentación: — De corriente continua (estáticas de 24/110 V ,, ). — De corriente continua a colector abierto (P N P o N PN ). — De corriente alterna (60/110/220
Vr t). — Salidas por relé (libres de ten sión).
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Salidas: — Por relé. — Estáticas por triac a 220 V ( A má ximo. — Colector abierto para 24 o 48 V f , Analógicas de 0-10 V o 4-20 m.A.
En la gama de autómatas modulares, construidos generalmente sobre un rack que permite la ampliación con distintas tarjetas de interfaz, las posibilidades son mayores, llegando hasta la conexión di recta de diversos tipos de transductores y periféricos. Una descripción más detallada de las interfaces de E/S se dará en los capí tulos 8 y 9.
4.6. F U E N T E D E A L IM E N T A C IO N La fuente de alimentación propor ciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circui tos del sistema. U n autómata programable está for mado por bloques que requieren ni veles de tensión y de potencia diferen tes y que, además, están sometidos a condiciones ambientales de ruido elec tromagnético también distintas. Por todo ello es frecuente que la ali mentación se obtenga de varias fuentes
separadas, procurando independizar las siguientes partes del circuito: Unidad central e interfaces E/S (alimentación autómata). Alimentación de entradas. Alimentación de salidas (cargas) de tipo electromagnético. Esta división, salvo en pequeños compactos, suele mantenerse en lodos los autómatas, que necesitan til menos de dos fuentes de alimentación inde pendientes: Alimentación del autómata (C P U . memorias e interfaces). — Alimentación de los emisores de señal y de los actuadores de sa lida. La alimentación a la C P U puede ser de continua a 24 V 1(. tensión muy fre cuente en cuadros de distribución, o en alterna a 110/220 V, v En cualquier caso, la propia C P U alimenta las in terfaces conectadas a través del bus in terno. La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse, según tipos, en alter na a 48/110/220 V, o en continua a 12/24/48 V l ( , La fuente de alimentación del au tómata puede incorporar una batería tampón, que se utiliza para el mante nimiento de algunas posiciones inter nas (relés o registros) y del programa de usuario en memoria R A M , cuando falla la alimentación o se desconecta el autómata. La capacidad de esta batería, normalmente a 3,5 V', oscila entre los 1500 mAh y I año de vida para las más pequeñas utilizadas en los autómatas compactos, y los 5000 mAh y 10 años de vida en las necesarias en autómatas modulares de gama alta. F,1 estado de la batería está monitorizado sobre un diodo L E D en la fuente de alimentación, que parpadea o se apaga en caso de defecLo o au sencia de la misma. Los autómatas compactos suelen dis poner de una salida de tensión a 24 V , , de baja potencia, para alimentación di recta de sensores y actuadores, aunque la carga que puede soportar es muy re ducida, del orden de décimas de am perio. La figura 4.8 muestra dos alternativas extremas de alimentación a un sistema
de autómata v unidad de expansión de entradas/salidas locales (unidas por el bus interno), con sus emisores y ac atadores: Fn el primer caso, una única fuen te (figura 4.8u) incorporada en el autómata alimenta a la C PU con sus interfaces de entrada y salida y a los sensores y actuadores del sistema. La tensión de alimenta ción a los circuitos internos de la unidad de expansión llega a ella a través del bus interno. En el segundo ejemplo (fig. 4.8/>), el sistema utiliza varias fuentes de alimentación diferentes: — la propia del autómata, in terna o externa a él. — la auxiliar para alimentación de la unidad E/S. — fuente de alimentación C C para actuadores de salida.
- fuente de alimentación ( para actuadores de salida.
Es frecuente, en sistemas modular ! como el que se presenta en la figc:4.8/>. que la propia fuente de al ¡me' (ación de la C P U o del bastidor de v pansión proporcione directamente u | salida auxiliar a 24 V ( l . con nivel potencia suficiente para alimentaci' de sensores: en el ejemplo, se milt esta fuente auxiliar para alimentaci de los interruptores de entrada. En ambos casos, y así ocurre en i. neral, la alimentación a la C P U p: porciona además la tensión de (uncid namiento de la unidad portátil de i" gramación, conectada a ella direc mente sobre un zócalo o a través un cable. La elección de uno u otro esque'de alimentación para un sistema de .<* lómala depende fundamentalmente
Figura 4.S. lijcmptos de conexiones de alimentación.
120 220VAC IN Esponsión
o) Fuente de alim entación com ún
f Lq J
¡f l
4
jF
I10VAC 24VOC
FA AC AC
FA DC
24V0C
1=) N 1IM'WICOM
LO AC LC.
CPU 1I0/270VAC
IN
OUT
24VDC
FA OC AC
LG
00
c. COMI
IN
P l Fuentes de alimentación especificas
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s COM
COML* AC
31
IN
X f
FA OC LG
aso
OUT
lU m C T U R A IN T IR N A D IL AUTÓM ATA
P E N S IO N 1)1 100/240 A C
100/120 AC 200/240 AC
24 D C
200/240 AC
12 D C
12 DC
12 D C
24 DC
N O M IN A L D E S A L ID A (A )
1.25
2.00
1,70
1.00
F R E C U E N C IA
50/60 Hz
50/60 11/
P R O T I ( C IÓ N
si
si
si
si
C P U + E/S
C P U + E/S
C P U + E/S
l/ S
E N T R A D A (V )
100/120 AC
Como en todo sistema microproce sador. en el autómata se identifican cuatro bloques básicos diferenciados:
T E N S IÓ N D E S A L ID A (V ) C O R R IE N T E
50/60 ||/_
S O B R F C O R R IE N T E A P L IC A C IO N E S
Tabla -I. I. Características nomínalas de fuentes de alimentación. las características de sus entradas y sa lidas: — Niveles de potencia necesarios para la aplicación. — Compatibilidad entre la tensión auxiliar suministrada por el au tómata y las necesarias en el sis tema de E/S. — Funcionamiento o no de sensores y cargas a igual tensión de ali mentación. — Necesidad de aislamiento galvá nico en el sistema de E/S. Los fabricantes proporcionan, sobre : rido en sistemas modulares tipo rack, módulos de alimentación con diferen tes tensiones de salida y niveles de po tencia suficientes, en general, para cu brir cualquier necesidad de alimenta ción. La tabla 4.1 muestra, por ejemplo, los módulos de alimentación disponi bles para la serie de autómatas FA3S de l/.UM I. Los módulos de salida a 12 V , , es
tán previstos para alimentación de la C P U y de las interfaces E/S conectadas en el bastidor, asi como para la unidad de programación, cuando se utilice. La elección de uno u otro depende de la tensión de entrada disponible, y del nú mero de interfaces conectadas, que de termina la carga total de corriente. Si esta carga resulta elevada, pueden co nectarse varios módulos en paralelo. Aunque, en general, cualquiera de estos módulos puede utilizarse para ali mentación de sensores y actuadores de entrada y salida, existe uno especifico, con tensión de salida a 24 V t(-, para esta aplicación.
- CPU, o unidad central de proceso. M em o ria in te rn a de tra b a jo (R A M ). Memoria de programa (R A M . E P R O M , E E P R O M ). - Interfaces E/S. En particular, las interfaces E/S están especialmente diseñadas para interconcclar el autómata con procesos in dustriales, disponiéndose de variados tipos, habida cuenta la diversidad de formas que pueden adoptar las señales procedentes o necesarias en aquéllos: - tensiones continuas 12/24/48 V <( , - tensiones alternas 110/220 V (A, pulsos de contaje rápido 0/5 V t ( , 0/24 V t r , - señales analógicas en tensión o corriente, etc. En la mayoría de sistemas P L C , el número (hasta la capacidad soportada por la C P U ), tipo y ubicación de estas interfaces es decidido por el usuario, que adapta asi la máquina, junto con las órdenes definidas en su programa, a las necesidades de su aplicación.
4.7. R E S U M E N
4.8. R E F E R E N C IA S
El autómata es una máquina indus trial programable basada en un sistema de microprocesador, con un hardware estándar y un software incorporado que permite la ejecución de programas de usuario, escritos en algún lenguaje de programación.
|1| S IE M E N S . Cal. núm. ST 54. Autómatas Programables S5-I35U y S5-I50U |2| ID EC -IZU M I, Uscrs Manual EM228-4 M I CRO-I programmable controller |J| T fiL É M E C A N IQ U E T S X D l l 001) Microautómata T SX 17 Instalación. |4| ID EC -IZ U M I Cal. núm. EP574-0. FA-3S Se ries
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5. CICLO DE FUNCIONAMIENTO DEL AUTÓMATA Y CONTROL EN TIEMPO REAL 5.1. IN T R O D U C C IÓ N Los autómatas programables son máquinas secuenciales que ejecutan correlativamente las instrucciones in dicadas en el programa de usuario al macenado en su memoria, generando unas órdenes o señales de mando a partir de las señales de entrada leídas de la planta: al detectarse cambios en las señales, el autómata reacciona se gún el programa hasta obtener las ór denes de salida necesarias. F.sta se cuencia se ejecuta continuamente para conseguir el control actualizado del proceso. La secuencia de operación del au tómata se puede dividir en tres fases principales: — Lectura de señales desde la inter faz de entradas. — Escritura de señales en la interfaz de salidas. — Procesado del programa para ob tención de las señales de control. A fin de optimizar los tiempos de acceso a las interfaces E/S, se realiza la lectura y escritura de señales simul táneamente para todas las entradas y salidas implicadas, de forma que las en tradas leídas se almacenan en una me moria temporal o memoria imagen de entradas, a la que acude la C P U du rante la ejecución del programa, mien tras que los resultados o señales de mando se van almacenando en otra memoria temporal, o memoria imagen de salidas, según se van obteniendo. Finalizada la ejecución, estos resulta dos se colocan en la interfaz de salida de una sola vez. El autómata realiza también una se rie de acciones comunes que garanti zan la seguridad en el funcionamiento, como son los chequeos de memoria y
de C P U . comprobación del «walchdog» o reloj de guarda, etc. Además, y eventualmente, establece comunicación con periféricos exterio res, por ejemplo para volcado de datos en impresora, comunicación con otros autómatas u ordenadores, conexión con la unidad de programación, etc. Todas estas acciones se van repitien do periódicamente, definiendo un ciclo de operación que necesita de un cierto tiempo para ser ejecutado. Este tiempo será determinante cuando el autómata pretenda controlar procesos rápidos, con señales de muy corta duración o alta frecuencia de conmutación. En el presente capitulo se describen el ciclo de operación del autómata y las comprobaciones o test que realiza du rante su funcionamiento, con una va loración cualitativa de los tiempos que emplea en realizar cada operación. Se define también el concepto de res puesta del autómata en tiempo real, y se indican las soluciones que ofrecen los fabricantes para el control de pro cesos rápidos.
5.2. M O D O S D E O P E R A C IÓ N U n autómata bajo tensión puede mantenerse en uno de los siguientes estados de funcionamiento (modos de operación): RUN: F.l autómata ejecuta nor malmente el programa de usuario con tenido en su memoria. — Las salidas evolucionan O N / O F F según el estado de las entradas y las órdenes del programa. Los temporizadores y contadores programados operan con norma lidad. ST O P: La ejecución del programa se detiene por orden del usuario.
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— Las salidas pasan a estado O FF. Las posiciones internas (relés, re gistros), contadores y temporiza dores mantienen su estado en me moria interna. — En el paso a R U N . todas las po siciones internas, excepto las mantenidas, o protegidas contra pérdidas de tensión, pasan a es tado O F F . E R R O R : El autómata detiene la eje cución por un error de funcionamiento, y queda bloqueado hasta que se corrige el error. — las salidas pasan a estado O F F . — corregido el error, el autómata sale de este modo bien por reset de puesta en tensión u ordenado des de la C P U , bien por comando en viado desde la unidad de progra mación. E l modo S T O P es normalmente uti lizado para servicios de mantenimiento o diagnóstico, al congelar el funcio namiento del autómata sin pérdida de la información contenida en su interior, que puede entonces ser visualizada desde la unidad de programación. E l modo de operación del autómata puede ser controlado desde conmuta dores situados en la misma C P U , o desde la unidad de programación, cor el envío de los comandos adecuados. Ambas posibilidades pueden encon trarse simultáneamente en autómatas de gamas media y alta, mientras que los modelos compactos de gama baja suelen incluir sólo la segunda. Algunos autómatas compactos nc disponen de conmutadores para et cambio de modo, aunque pueden sus tituirlos por interruptores externos que se leen a través de puntos de la interfaz de entradas, asignados para esta fun ción mediante los parámetros de con figuración.
CICLO OK FUNCIONAMIKNTO DIL AUTÓMATA
certdido o parpadeante, facilitando las labores de mantenimiento y puesta a punto en caso de error. La ligura 5.2 muestra tres posibles disposiciones de estos indicadores L F D . correspondientes a otros tantos autómatas l/.umi FA-2.1, Matsushila F P I, y Télémecanique T S X 17-20, respectivamente. Como se observa en la tigura, al gunos autómatas incluyen indicadores específicos para momton/.ación del es tado de las conexiones F/S. de la me moria de programa, de funcionamiento de la C PU , etc., lo que facilita la iden tificación rápida de la avería, aunque siempre puede leerse el código o identificador de error desde la unidad de programación.
5.3. C IC L O D E F U N C IO N A M IE N T O Tras la puesta en tensión, el autó—ata pasa a modos R U N o H A L T / : TOP, dependiendo del modelo y de la j -'Figuración del mismo. E n cualquier las conmutaciones R U N / ST O P - ;den ser forzadas por el usuario des : : ¡a unidad de programación o desde - interruptores previstos a tal efecto • -re la C PU . Si en el intento de puesta en marcha aso a estado R U N el autómata der,ia algún mal funcionamiento sobre . aparato (conexiones, alimentación,
mación, borra todas las posiciones in ternas, incluso las mantenidas, y deja al autómata totalmente reinicializado para comenzar a ejecutar el programa. Normalmente, y puesto que en el modo RL1N no puede modificarse el programa de usuario (solamente es po sible en autómatas con programación On-Line), el aparato debe estar en modo H A L T / S T O P cuando se desea introducir o modificar un programa de aplicación. La comprobación del modo de fun cionamiento se realiza fácilmente sobre unos L E D incorporados en la C P U , por observación de su estado apagado, en-
SIS
- cambio de modo ordenado por el sistema monitor. C P U - cambio de modo ordenado por usuario desde conmuta dores de la C PU . PR G — cambio de modo ordenado por usuario por comandos desde la unidad de progra mación. Ll autómata puede disponer de una función de Reset que, activada desde j C P U o desde la unidad de progra
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El funcionamiento del autómata es, salvo el proceso inicial que sigue a un Reset, de tipo secuencial y cíclico, es decir, las operaciones tienen lugar una tras otra, y se van repitiendo continua mente mientras el autómata esté bajo tensión. La figura 5.3 muestra esquemática mente la secuencia de operaciones que ejecuta el autómata, sobre la que se de fine el llamado ciclo de operación con aquellas que se repiten indefinidamen te. Como se muestra en la figura, antes de entrar en el ciclo de operación el autómata realiza una serie de acciones
AUTÓM ATAS PftO O R A M A SLlS
f
Tensión
Corno ejemplo, la figura 5.4 muestra los tiempos de puesta en marcha de un autómata Hitachi de la serie E (microaulómatus) en tres circunstancias:
J
f Comprobación del sistem a físico ( h a r d w a r e )
— arranque simultaneo con la puesta en tensión. — arranque tras la puesta en tensión, arranque desde el estado ST O P
I B o rra d o de v a r .a b le s in te r n a s , le m p o n z a d o r e s y co n ta d o re s
•O O
Transcurrida la secuencia de inicia lización, y si no han aparecido errores, el autómata entra en el ciclo de ope ración, constituido por aquellas ope raciones que se ejecutan continuamen te. Este ciclo puede considerarse divi dido en tres bloques (figura 5.3):
Pu«»sta 0 ce ro de ‘'w atchdog’'
C o m p robació n de c o n e x io n e s y m em o ria
X
NO
— proceso común, — ejecución del programa de usua rio, — servicio a periféricos.
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§8 cr < o-Q
lndicadoi de e rro r
E je c u c ió n pro gram a u s u a r io
S e r v ic io a p e r ifé r ic o s e x te rn o s
üa
£ 5 t/3UJ
i ___________
i
Figura SJ. Ciclo de funcionamiento del autómata comunes («power-on sequence»), que tratan fundamentalmente de inicializar los estados del mismo y de chequear el hardware. n.stas rutinas de chequeo, incluidas en el monitor R O M , comprueban: el bus de conexión de las unida des de E/S. - el nivel de la batería, si ésta existe, - la conexión de las memorias in ternas del sistema, - el módulo de memoria exterior conectado, si existe. Si se encuentra algún error en el che queo, se activa el L E D de error y queda registrado el código del mismo. El fun cionamiento puede quedar interrum
pido en ese punto, según la gravedad del error. Comprobadas las conexiones, se inicializan las variables internas: — se ponen a O F F las posiciones de m em oria interna (excepto las mantenidas o protegidas contra pérdidas de tensión), — se borran todas las posiciones de memoria imagen E/S, — se borran todos los contadores y temporizadores (excepto los man tenidos o protegidos contra pér didas de tensión). El tiempo total empleado en ejecutar estas rutinas de inicialización es siem pre menor que I segundo.
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En el primero de ellos se comprueba el reloj de guarda y realizan los che queos cíclicos de conexiones y de me moria de programa, protegiendo al sis tema contra. errores de hardware (conexiones l/O, ausencia de memoria de pro grama, etc.), — errores de sintaxis (programa im posible de ejecutar). El reloj de guarda («watchdog») eun temporizador interno no accesible por el usuario que fija el tiempo má ximo de ejecución de un ciclo de ope ración. Si este temporizador alcanza el valor prefijado, entre 0,1 y 0.5 s según modelos, el autómata pasa al estad' S T O P y se ilumina el indicador de error Posibles causas para la activación de reloj de guarda pueden ser: — existencia de algún error de sin taxis en el programa, de forma que nunca se alcanza la instrucción E N O. — bloqueo de la comunicación con periféricos externos, — avería en el funcionamiento de E C P U . etc. El chequeo cíclico de conexiones comprueba los siguientes puntos: — niveles de las tensiones de ali mentación.
que a su vez dependen, respectiva mente. de:
PENSIÓN O FF
' ON I -
-^W V A / W W V V A A A A A A / V X / X^Vj^ A A A / V V X I ARRANQUE
I OPERACIÓN
I R esel -• ♦In ic ia liz a c ió n »
-RUN
al Arranque simultáneo con la puesta en tensión ARRANQUE
(OPE RACIÓN
.E In icia liz a ció n ^
- RUN -
l60msMAX - I
b) Arranque posterior a la puesta en tensión A RRA N Q UE
n
1 SEÑAL ST O P
|
OPERACIÓN | » B e s e t -•4“* Inicialización
RUN -♦]
t60msMAX -*■)
i i i [♦ I n i c i a l i z a c i ó n R U N i*
!60m sMA>,*4
c| Arranque desde el estado STOP
'.4. Tiempos de puesla en marcha de microuutómutas de Hitachi. - ¿stado de la batería, si existe, y - buses de conexión con las inter faces E/S.
-
- - el chequeo de la memoria de pro j se comprueban la integridad de sena y los posibles errores de sin - y gramática: - mantenimiento de los datos, com probados con el «checksum», existencia de la instrucción F.ND de fin de programa, estructuras de salto y anidamiento de bloques correctas, - códigos de instrucción correctos, etcétera.
Este proceso común no supera nor malmente 1 o 2 milisegundos de tiem po. En el segundo bloque de operacio nes. ejecución del programa de usuario, se consultan y actualizan los estados de las entradas y las salidas y se elaboran las órdenes de mando a partir de ellos, por ejecución secuencial de las ins trucciones del programa. El tiempo de ejecución de este blo que de operaciones es la suma del: — tiempo de acceso a interfaces de E/S, — tiempo de escrutación del progra ma.
D
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— número y ubicación de las inter faces de E/S, longitud del programa y tipo de C P U que lo procesa. El tiempo de acceso a las interfaces depende de si éstas están cableadas como locales o remotas (conectadas a la C P U por el bus interno, o a través de procesadores de comunicaciones), y del número de entradas/salidas insta ladas. En un autómata compacto o mo dular con interfaces locales, este tiem po es del orden de 5 ms, aunque puede variar significativamente de uno a otro modelo. El tiempo de ejecución del programa depende del tipo de instrucciones que se procesan, siendo mayor en caso de instrucciones aritméticas o de mani pulación de datos, y del modelo de C P U que lo ejecuta, reduciéndose si el autómata utiliza procesadores a medida o personalizados («custom») en vez de microprocesadores estándar. La tabla 5.1 muestra los tiempos de ejecución de instrucciones, en microsegundos, de la gama de autómatas O M R O N . Los tiempos más bajos co rresponden a la ejecución de las ins trucciones básicas (A N D , OR. etc.), y los más largos a los de manipulación de datos, contadores y temporizadores. * El tercer bloque de operaciones den tro de un ciclo de ejecución, el servicio a periféricos externos, sólo es atendido si hay pendiente algún intercambio con el exterior. Estos periféricos se comunican con el autómata bien directamente, a través de un conector situado sobre la C P U , bien a través de procesadores de co municaciones específicos, que soportan los protocolos de comunicación des cargando a la unidad de control de esta tarea. La comunicación a través del coneclor incorporado queda reservada casi exclusivamente para la unidad de pro gramación, aunque existen productos de mercado (por ejemplo, visualizadores y terminales de operador) direc tamente conectables a esta línea. La co nexión con otros periféricos se realiza normalmente a través de procesadores
Aulrinúilii
ALTA (¡A M A l)K AUTÓMATAS
M I D IA
puntos I /S
211(11) II 1000 II
2048
0.4
200 II
1081)
0 .7 5 a 2.25
512
.1 ¡I 8.1
120
250
3 a 83
Serie P
100 n
148
4 a 05
.10 u 120
C 20 T ah la 5 .1 .
a 2.4
500
Serie K
BAJA
Tiempo de cjeetK ion Ips/lnsn l
N ú m e ro de
4 a 05
84
4 a 80
f a m i l i a d e a u t ó m a t a s O M R O S p tie m p o s d e ejecu ció n .
de comunicaciones, que permiten el enlace con: — Ordenadores. — Impresoras. — Visualizadores de plasma o siete segmentos. Lectores de códigos de barra. — Otros autómatas, etc
Iniciales, que corren únicamente tras la puesta o reanudación de la tensión. Cíclicas, que se repiten continua mente mientras el autómata está ejecutando el programa.
F in u ra 5.5.
5.4. C H E Q U E O S DEL, S IS T E M A Como se ha indicado en el apartado anterior, el autómata incorpora rutinas de autochequeo, en su monitor R O M , que le permiten diagnosticar el estado del programa y del hardware conecta do. Estas rutinas pueden ser:
Comprobación de la C P U : - Microprograma. - Memoria interna. Reloj de guarda, etc. — Comprobación de la memoria de programa: - Control de presencia. - Identificación de tipo. - Comprobación del contenió» («cheksum»). — Comprobación de interfaces K/S - Control de presencia. - Identificación de los tipos. Generación de la tabla de di recciones. Las rutinas cíclicas se encargan de comprobar la integridad del program; y de las conexiones F./S utilizadas en el mismo:
S u s p e n s ió n d e l se rv ic io d e a te n c ió n
a p e rifé ric o s e s te m o s .
Una vez establecida la comunica ción, la C P U dedica un tiempo limita do, de 1 a 2 ms, en atender al intercam bio de datos. Si este tiempo no fuera suficiente, el servicio queda interrum pido hasta el siguiente ciclo (fig. 5,5). Esta suspensión del servicio puede llegar a ser apreciable en procesos de monitorización de estados, cuando la unidad de programación u otro peri férico específico pretende visualizar la evolución de las variables en el autó mata. dando como resultado la apari ción de un retardo entre el estado de los L E D indicadores de señal en las in terfaces de E/S y la información vi sualizada sobre la unidad externa. Para el resto de servicios, conexión con im presora, con monitores o visualizadores industriales, etc., los retardos resultan inapreciables.
Las primeras se encargan de com probar las conexiones físicas del sis tema, y de identificar la configuración existente:
rjecuoón
(o in ic io ciclo cíe o p e r a c ió n )
pro g ram a u su ario
S e rv ic io a
periféricos e*!ernos
Interr .jporfn del serv»c»0
M é m o rií a c ió n Jp l punto d e ir te rru p o ó n
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— Control de memoria interna (di recciones y datos). — Comprobación del contenido de m em oria de programa («chek sum»). — Control de presencia y funciona miento de interfaces E/S. — Comprobaciones del bus interne y de las correctas transferencias de datos sobre cl. Si en alguno de los chequeos o com probaciones anteriores se detecta algún problema, el autómata acusa el error, ntemoriza el código ¡dcntilicador co rrespondiente y, eventualmente, seña liza la situación iluminando el L E I ) de error y algún otro específico, si lo po see. Combinando el estado de los dife rentes pilotos y/o estudiando los có digos de error, es posible analizar los defectos y corregirlos con rapidez. La identificación completa del error se realiza visualizando sobre la unidad de programación el código del mismo (lectura del registro que almacena el tipo de error) y utilizando una tahla cruzada de códigos y nombres de error. El fabricante incluye siempre en la documentación del autómata un capi tulo de diagnóstico y corrección de errores («troubleshooting») que per-
primero, lu identificación del mis y proporciona, después, posibles « jcioncs para su corrección. ' ls errores pueden clasificarse en - categorías: fatales y no fatales. Los r» roeros provocan la detención del au* lata (paso a ST O P), y exigen la rci* . ilinación de la máquina por reset o - .vta en tensión. l ls errores no fatales quedan reco- j o s y señalizados en el autómata, >ero no provocan la parada de la má¿juirui. Mgunos autómatas pueden disponer jh is t ó r ic o de errores, conjunto de ..otros internos que van almaeenan6 lo s errores producidos con sus cóJ . i de identificación, c incluso la fe . ■ . hora en que se producen, si la i 1 dispone de reloj de tiempo real contenidos de esta tabla de regisse van actualizando conforme apa . en nuevos errores, siempre que ésno provoquen la parada del autó*s errores más frecuentemente de - . .idos son: fallos de alimentación, ausencia del módulo de memoria (autómatas sin R A M de programa interna), desbordamiento del reloj de guar da, pérdida o destrucción del progra ma o parte de él. valores de preselección de lemporizadores y contadores fuera de rango, - fallos de conexión con las Interlaces de entrada/salida, fallo de conexión con la unidad de programación o con otros autó matas dentro de una red. direccionamiento incorrecto de interfaces E/S o de variables in ternas. - imposibilidad de carga del progra ma (demasiado largo, o incorrec tamente identificado), etc. Además de las rutinas de autoche4ueo incorporadas en el monitor del utómata, las unidades de programa ro n pueden disponer de comandos de :st que se encargan de realizar una omprobación sistemática de todo el sistema: entradas/salidas, conexiones del bus, estado de la C P U y de las me
morias, conexiones con la unidad de programación, teclados y visualizadores de esta. etc. Esta función de test, si existe, es siempre ordenada por el usuario, a di ferencia de las rutinas de autochequeo anteriores, de activación automática.
5.5. T IE M P O f)E E JE C U C IO N Y C O N T R O L EN T IE M P O R E A L El tiempo total que el autómata em plea para realizar un ciclo de operación se llama tiempo tic ejecución tic cfclu o más sencillamente lieirtpo de ciclo («Sean Time»), Dicho tiempo depende de: el número de enlradas/salidas in volucradas, — la longitud del programa de usua rio, — el número y tipo de periféricos co nectados al autómata. El tiempo total de ciclo es entonces la suma de los tiempos empleados en realizar las distintas operaciones del ci clo, a saber: — autodiagnósticos, — actualización de E/S, — ejecución (escrutación) del pro grama, — servicio a periféricos. Los tiempos empleados en chequeos y comprobaciones cíclicas (autodiagnósticos) son del orden de I a 2 ms, al igual que los consumidos en la aten ción a periféricos externos. Los tiempos de ejecución de ins trucciones se miden en unidades de microsegundos (//s). resultando un tiempo de escrutación del programa va riable en función del número y tipo de instrucciones contenidas. Precisamen te. el tiempo de escrutación es uno de los parámetros que caracterizan a un autómata, expresado normalmente en
milisegundos por cada mil instruccio nes (ms/K). l ógicamente, el tiempo resultante dependerá del tipo de instrucciones elegidas, por lo que el fabricante suele indicar las utilizadas como base de cál culo (booleanas. aritméticas, de tcmporización. etc.), y las proporciones en tre ellas dentro del programa muestra. Son tiempos típicos de 5 a 15 ms/K instrucciones, aunque la aplicación de nuevas tecnologías y diseños a la C P U están reduciendo los tiempos a valores menores de I ms/K instrucciones. Los tiempos de acceso al exterior para lectura/escritura de datos son del orden de I a 5 ms. dependiendo del número de E/S involucradas, de la C P U del autómata, de si éste es com pacto o modular, si se utilizan o no en lradas/salidas remotas, etc. En un autómata estándar de gama media, para una aplicación que necesite aproximadamente unas 1000 instruc ciones. el tiempo de ciclo total puede, por tanto, estimarse del orden de 20 milisegundos. Este tiempo de ciclo será uno de los factores determinantes en el diseño del sistema de control cuando en éste apa rezcan muy bajas constantes de tiempo (sistemas de respuesta rápida), pero no el único a considerar, ya que también la electrónica de las interfaces intro duce retardos adicionales. La lectura/escritura de señales de planta, realizada a través de las inter faces de entrada/salida, está afectada por los retardos propios de estos cir cuitos que, al incluir filtros que tratan de evitar la entrada de ruido eléctrico en el autómata, introducen también re tardos en las conmutaciones de la se ñal, limitando la frecuencia máxima de éstas a valores inferiores a 100 Hz. La tabla 5.2 presenta los rangos de retardo máximo típicos, en milisegun dos, para distintas interfaces de entrada y salida en las conmutaciones de en cendido a apagado y viceversa. Como se observa, las entradas en DC
Tabla 5.2. Retardos de conmutación típicos de ínter)aces de autómatas (ms). IN T E K I \/ C O N M U T A C IO N
E N T R A D A l/M-.ká AC DC
RELE
s a l i d a tr,,,, .,„> T R A N SIST O R
T R IA C
O FF - ON
15 - 30
5 -10
5 - 15
0.5 - 2
1 - 10
ON - O F F
15 - 30
5 -10
5 - 20
1-2
11 - 12
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AUTÓM ATAS PftO O R A M A SLIS
son más rápidas que en AC . por la ma yor necesidad de filtrado de las tensio nes de red, mientras que las salidas es táticas son también más rápidas que las salidas por relé. Nótese el largo tiempo de conmutación Q N -O FF de la salida por triac, por el retardo que introduce el apagado natural (a corriente cero) del dispositivo. Si el proceso utiliza además señales analógicas, será preciso considerar tam bién los tiempos de conversión A/D y D/A, lo que, dado el procedimiento de conversión por doble rampa normal mente utilizado, obliga a considerar re tardos aún mayores, de 15 o 20 ms. Dada una señal de mando (salida) función de una o varias señales de planta (entradas), se denomina tiempo de respuesta al que transcurre desde que un cambio en una de aquellas señales de planta es acusado por la señal de mando. Este tiempo dependerá, por tanto, de los retardos de conmutación y adap tación de señal en las interfaces de en trada y salida, 7|NP y 7,k ,TPIiT llcb!, y del tiempo de ciclo del autómata. Aunque el tiempo de respuesta es variable dependiendo del instante en que cambia la entrada respecto al cielo de operación, se mueve siempre entre dos valores límite máximo y mínimo, según se muestra en el esquema de la figura 5.6. Estos valores límite son: •
Valor mínimo (la señal está dis ponible en la interfaz justo antes de la lectura de entradas) 7¡»rs min =
^ IN PIT Uubv +
T 't c t t í
+
resultante, y de su inversa, la frecuencia de operación, pueden resultar despre ciables frente a las constantes de tiem po de los sistemas electromecánicos (relés, solenoides, electroválvulas, etc.) a los que el autómata sustituía' o con trolaba en sus primeras aplicaciones de mercado, pero no lo son tanto com parados con los tiempos extremada mente cortos que intervienen en la lec tura y control de elementos electróni cos. típicos en procesos de posicionamiento de motores (lecturas de pulsos de encodcrs), respuesta a alarmas, de
tección de móviles a alta velocidad, et cétera. Si se trata de controlar uno de estos procesos relativamente rápidos, puede darse el caso de que la respuesta del autómata resulte demasiado lenta, con lo que el control no actuará como se espera. Se dice que el autómata es capaz de controlar en tiempo real a un proceso, si sus tiempos de respuesta o retardo resultan muy pequeños frente a los tiempos de reacción del mismo. Por ejemplo, utilizando un autómata
finura S.fi. I alores limite Jet tiempo Je respuesta a una señal. Lectu ra/escritu ro
a ) Tiempo de re s p u e s ta m áxim o
m n
m
+ 7(hitplit JcIhj •
Valor máximo (la señal está dis ponible en la interfaz justo des pués de la lectura de entradas) 7|tlS tntu = ^INI'I'T Ilfúy + 2 7( lr,,, +
+ MUr|1M11 El tiempo de retardo en las interfa ces de entradas y salidas depende del tipo de conmutación. O N /O F F o bien O FF/O N , asi que para el cálculo del tiempo de respuesta máximo habrá que tomar los mayores posibles que indi que el fabricante. Los valores del tiempo de respuesta
b) Tiem po de re s p u e s ta m ínim o
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CICLO D I 5uPUNCIONAMIKNTO DKL AUTÓMATA .Í^mv-ií&rtí -;':,:W'::’-'CyW
.011 interfaz de entrada D C y salida por relé, con un tiempo de ciclo de eje. ación de 10 ms, y despreciando los empos de aulochequeo y actualiza ro n E/S, se obtiene un tiempo de resuesta máximo de:
m y
\ este tiempo le corresponde una recuencia máxima de conmutación -_e el autómata pueda leer de: = 1/40 ms = 25 Hz Si el proceso a controlar necesita un . ñipo de respuesta en alguna variable * ¿ñor a 40 ms, o si generan o mani rá.'!" frecuencias superiores a 25 Hz, r i uiómata del ejemplo anterior no po. controlar dicho proceso sin riesgo ’vocar oscilaciones, pudiendo lleneluso a la saturación y bloqueo s nismo. -m mantener la potencialidad de ut ¿matas incluso en estas nuevas -- .iones que exigen mayor rapidez, i ¿lineantes suelen incluir en sus . 's elementos o funciones de pro - •ipido. cuyo funcionamiento y ca-:¡cas se describen a continua-
S - ELEM EN T O S D E PR O C ESO « M ID O
_
Hay tres tipos de actividades que exirápidas respuestas del autómata: - Ejecución de subrutinas o progra mas a intervalos menores de los que permite el tiempo de ciclo ge neral del autómata (por ejemplo, para el procesado de alarmas). Lectura de impulsos de entrada a alta frecuencia (por ejemplo, pro cedentes de encoders). - Detección de señales de muy cor ta duración, menor que el tiempo de ciclo (por ejemplo, para detec ción de móviles a alta velocidad).
Cada una de las circunstancias an siares plantea problemas distintos, ¡ i obligan también a buscar distintas áuciones en el autómata. \s¡. para el primer supuesto, reduc-
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F.iSmit» *“ 10 ms + 2 X 10 ms + + 10 ms = 40 ms
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finura 5.7. Ejecución periódica de rutina* rápidas. ción del tiempo de respuesta para una señal determinada, puede ordenarse la ejecución del bloque de programa que la controla de forma independiente al resto del ciclo, iniciándose ésta: por medio de un señal periódica (para reducir el tiempo de ciclo). — por medio de una señal de inte rrupción exterior (para obtener respuestas rápidas). En el primer caso, activación de una rutina rápida mediante una señal pe riódica (normalmente, una temporización interna), se asegura la reducción del tiempo de ciclo para las señales E/S manipuladas dentro de la rutina (figura 5.7), mientras que en el segundo caso, activación mediante interrupción ex terior, se permite al autómata respon der con rapidez frente a estímulos ex ternos. En el segundo supuesto, lectura de impulsos de alta frecuencia, la pérdida de información que supone la aparición
de varios impulsos dentro de un mismo ciclo de ejecución, al ser leído sólo el que coincida con el instante de lectura (figura 5.8), puede evitarse disponiendo de un contador rápido que, aprove chando un hardware especifico con en tradas débilmente filtradas y circuito propio, sea capaz de leer señales de alta frecuencia. Por último, para la detección de se ñales de muy corta duración podría emplearse cualquiera de las dos solu ciones anteriores, aunque algunos au tómatas que no las incluyen, sobre todo en gamas bajas, pueden tener en cam bio una o varias entradas detectoras de flancos, capaces de captar y mantener en un relé interno, y hasta su lectura por parte de la C P U , señales indivi duales de tan corta duración como 1 ms (menores de un «sean»), de forma que el autómata llega a tener constan cia de ellas (figura 5.9). Se discuten a continuación, con ma yor detalle, cada una de las soluciones enumeradas.
finara S.S. Pérdidas de información en la lectura de señales de alra frecuencia. - T IE M P O DE CICLO-
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CICLO DK FUNCIONAMIINTO DKL AUTÓMATA
retorno al programa principal. La interrupción al programa puede erarse de dos formas: por entrada asincrona externa (in terrupción). según un ciclo de periodo prefijable por el usuario (temporizaeión): 2 ms, 5 ms, 10 ms, 100 ms, I s. por ejemplo,
m
transcurrida la cual el proceso se rea nuda en el punto en que fue interrum pido. Esta estructura de multiprogramación o multitarea permite definir pro gramas diferentes, para ejecutar sobre el procesador principal o sobre los au xiliares:
o formar parte de módulos de expan sión (caso de modelos compactos) o como tarjeta especial en los de tipo mo dular. F.l acceso al contador rápido puede establecerse de dos formas:
Todos estos programas pueden in tercambiar datos y acceder a las mis mas entradas, salidas y variables inter nas, resultando una mayor simplicidad y facilidad de programación y super visión del funcionamiento. Una estructura como la descrita per mite además la priorización absoluta de las tareas de control, lo que significa que en la práctica el usuario puede ele gir los tiempos de respuesta que desea para cada una de las señales de su pro ceso. Más detalles sobre los tratamientos multitarea se darán en el capítulo 12. dedicado a las estructuras de progra mación.
En el primer caso, el programa com para el contenido actual del contador con una o varias prcselecciones en cada ciclo de ejecución Estas comparacio nes pueden realizarse en condiciones de igualdad, superioridad o inferioridad respecto a una constante programada, normalmente entre 0000 y 9990 (10 000 impulsos), en autómatas estándar de gama media. Aunque esta forma de operación ase gura que no se pierde ningún impulso de entrada, que quedan acumulados en el contador, la consulta del contador rápido por comparación con preselecciones presenta dos problemas especí ficos:
i interrupción externa puede, a su obtenerse por: activación de una entrada exterior, alcance del valor de preselección de un contador rápido.
> se utilizan las entradas exteriores o entradas de interrupción, el inide la ejecución del programa rápido -re cuando varía el estado de alguna . .ualquiera de ellas, de forma asín.r °a con la consulta del resto de en . Jas en la interfaz. S se utiliza un contador rápido como :rol de la rutina, ésta se dispara ndo el contador alcanza el valor de •reselección fijado, a partir de los im•. sos de alta frecuencia leídos en el :» rerior. También puede programarse el con como temporizador rápido au,'gable. de forma que dispare la eje . _.:ón rápida según un ciclo de períoprefijable (procesado síncrono). Ln cualquier caso, el programa princ-’al continúa en el punto en que fue i- errumpido tras la ejecución del blo_ue de tratamiento rápido. Esto sig- lea que, si bien se reducen los tiem-• - de respuesta para las entradas/sa-: is procesadas en la rutina, se incrc-entan los correspondientes al resto . e señales, en un valor igual al del impo de ciclo de la rutina rápida por : número de interrupciones al progra ma normal. \lgunos autómatas (de gamas media ■ ;ta) permiten la programación de va•>is bloques de proceso específico, cada ^no de ellos con su propia retícula de empo: alcanzado uno de estos tiem?"S se activa una interrupción, y si la ¡rea que se estaba ejecutando era de n periodo mayor (menor prioridad), ■z interrumpe para ejecutar la tarea •sodada a la interrupción activada.
5.8. C O N T A D O R D E ALTA V E L O C ID A D El contador rápido es un módulo de hardware independiente de la C P U . ca paz de contar impulsos exteriores de alta frecuencia procedentes de capta dores como codificadores increménta les, detectores de proximidad, etc. El contador cuenta los impulsos de forma asincrona con el resto del autómata, utilizando sus propias entradas débil mente filtradas y específicas para esta aplicación. Una vez iniciada la cuenta, el con tenido del contador puede ponerse a cero (Reset): — por software, actuando el progra ma sobre un relé interno, — por hardware, actuando sobre una entrada especial de cero (señal Z). El contador rápido puede estar in cluido en el propio autómata, en algu nos modelos compactos de gama baja.
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1) Al utilizar para el proceso varia bles o relés internos la respuesta queda afectada por el retardo que introducen los tiempos de ciclo y de conmutación de salidas: f RFS
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Para reducir estos tiempos es fre cuente utilizar como salidas del contador interfaces estáticas de transistor o triac. 2) La consulta por comparación per mite el desbordamiento o supe ración del módulo de cuenta pre fijado, si se alcanza el valor de preselección justo después de la consulta del programa. En este caso, el autómata deberá esperar lodo un ciclo de ejecución antes de que la nueva consulta detecte la condición preselección alcan zada (y superada, si el contador sigue acumulando impulsos). Para reducir este efecto, la com paración con las preselecciones puede no realizarse una sola vez
1 AUTÓMATAS PftO O * A M ABLES
en cada ciclo de ejecución del programa, sino ordenarse varias veces de forma asincrona con el programa, mediante una señal ex terior o interior periódica. Asi, los errores por desbordamiento se re ducen «preciablemente. Además de la consulta desde el pro grama, es muy frecuente que el con tador rápido pueda generar un señal de interrupción cuando alcance su valor de preselección, eliminando los errores de desbordamiento comentados. Esta interrupción obliga al procesador a eje cutar inmediatamente una rutina de atención al contador, lo que asegura la mayor rapidez de respuesta posible. Los contadores rápidos disponibles sobre autómatas pueden clasificarse en dos grupos, según su modo de opera ción: — contadores unidireccionales y — contadores bidireccionales. Los primeros, muy poco frecuentes (pueden encontrarse sobre algunos au tómatas compactos), incrementan su contenido con cada impulso que reci ben por su única línea de datos. Los contadores bidireccionales o in creméntales, por su parte, necesitan dos entradas de datos para determinar im pulsos y sentido, y pueden a su vez cla sificarse atendiendo al tipo de entradas en (figura 5.11): — doble tren de impulsos, desfasa dos 90" («difTerencial phase»), — doble línea de señal, con impulsos de contaje y descontaje («Up/Down pulse»), — doble línea de señal, con impulsos de contaje y señal de sentido («pulse and direction»). En autómatas de gama media, y para una mejor adaptación del contador rá pido a su aplicación más general, el posicionamiento de móviles a partir de «encoders» increméntales (ver capitulo 7), el contador tiene normalmente en trada por doble tren de impulsos, con dos entradas (fases) A y B tales que las señales o trenes de ondas enviadas por el sensor digital incrementan o decrementan el contador según el desfase existente entre ellas (figura 5.12).
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CICLO DC FUNCIONAMIINTO DIL AUTÓMATA
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R e se t R E G IS T R O OF P O S IC IÓ N
R E G IS T R O CO NTAD O R
D ISC R IM IN A D O R D t SE N T ID O
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B U S DEL AUTOM ATA
rtaura 5.13. Contador rápido bidireccional de doble tren de impulsos. El decalaje de 1/4 de división en los captadores consigue que las señales cuadradas de salida tengan entre si un desfase de 1/4 de periodo cuando el encoder» gira en un sentido, y de 3/4 Je período si gira en sentido contrario. E l procesamiento de dichas señales mediante un simple sistema lógico per mite conocer el desplazamiento a partir de un origen, a base de contar impulsos determinar el sentido del movimiento ^egún el desfase existente entre las se ñales (figura 5.13). Además de los impulsos de posición, s «encoders» pueden emitir también exterior una señal de referencia 'Cero o Rcset) por cada revolución . mplela realizada, señal obtenida de an tercer captador que detecta una -urca única en toda la banda de reñución. Esta señal se utiliza para po ner a cero el contador de impulsos, a in de fijar el origen de referencias. La figura 5.14 muestra la conexión j . un encoder a un contador estándar Je alta velocidad, con el «encoder» ali mentado por una fuente de tensión ex¡crior. Si el encoder utilizado no tuviese se : a de fin de recorrido, debería conec. se la entrada del contador a uno de Vis terminales de la alimentación (po-uivo o negativo según modelos) a tra es de un contacto, para la habilita ción/inhibición de la cuenta. Al elegir e l encoder apropiado para una aplicación, debe comprobarse la compatibilidad entre sus señales y la s del contador en:
— ancho de impulsos mínimo, — niveles tensión/corriente de las señales. Los contadores rápidos soportados por los autómatas de gama alta per miten elegir el tipo de entrada de im pulsos según la aplicación, incorporan do además funciones adicionales que mejoran sus prestaciones: — validación/inhibición del meca nismo de contaje, — incorporación de salidas binarias que reflejan el estado actual de cuenta, — funcionamiento incrementa!, con retorno automático a cero al al canzarse el módulo de cuenta, — funcionamiento ¡ncremental, con inicio de cuenta desde un valor inicial de preselección, — entradas de habilitación, que blo quean la cuenta si no está pre sente la señal, etc.
Las frecuencias máximas de opera ción en un contador rápido van de los 2 a 5 kHz en los modelos de gama baja, hasta los centenares de kilohercios en las máquinas multiproceso de gama alta, siendo valores usuales frecuencias de 10 a 50 kHz. Además de las aplicaciones típicas como contador, otras posibles aplica ciones de este dispositivo son las de temporizador de precisión con base de tiempos menor de I ms, y como dis paro de la rutina rápida (si se dispone de esta función) a cualquier frecuencia periódica.
5.9. E N T R A D A S D E T E C T O R A S D E FLA N C O En ocasiones, el autómata debe ser capaz de leer señales de entrada de muy corta duración, mucho menores que su tiempo de ciclo. Si se dispone de contador rápido, pueden leerse estas señales cortas preseleccionando el valor de cuenta a la unidad: cuando se reciba la señal, el contador alcanzará el final de cuenta y podrá leerse la conmutación de su salida desde el programa de ejecu ción normal, por consulta o interrup ción. Si el autómata puede ejecutar rutinas rápidas controladas por entradas de in terrupción. puede utilizarse la señal a leer como disparo de un programa rá pido. el cual conmutará cualquier relé interno para que el programa base pue da leer sobre él la existencia o no de la señal. Los autómatas compactos de peque ño tamaño y aplicaciones restringidas
Figura 5.14. Conexión de un contador rápido de doble fase. 24 V ■+ —
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— frecuencias máximas de operación.
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Figura 5.15. Diagrama de operación de Ia entrada copiadora del autómata Izumi MICRO-1 no poseen posibilidad de contaje ni tra tamiento rápido de señales, pero pue den incluir una función especial para la lectura de señales de corla dura ciónSi la función existe, el flanco de se ñal de entrada, la cual debe mantenerse en O N durante un tiempo mínimo, ac tivará un relé interno que mantiene su estado hasta el final del siguiente «sean» (figura 5.9). Este relé interno puede, por supuesto, ser consultado desde el programa de usuario, que ob tiene una lectura indirecta de la señal exterior. Un ejemplo de autómata compacto con entrada captadora de señales cortas se encuentra en el MICRO-1 de Izumi: en este autómata, la entrada número O tiene, además de su función ordinaria, otra adicional como entrada captadora de pulsos cortos de hasta 0,5 ms, como mínimo. Cuando aparece un pulso sobre esta entrada fuera del período de lectura en la interfaz, se activa un relé interno que puede ser consultado por el programa de ejecución normal (figura 5.15). Si el pulso externo se repite más de una vez en el mismo «sean», sólo es reconocido el primero de ellos, ya que los demás no tendrán ningún efecto so bre el relé ya activo. Además, es necesario un «sean» in termedio sin pulso exterior para poner en O F F este relé interno, por lo que. en una aplicación de esta función como entrada de contador rápido, la frecuen
cia máxima de operación será inver samente proporcional al doble del tiempo de ciclo. _
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2 X núm. Instrucc. X
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Con tiempos de ciclo del orden de 10 ms, la frecuencia de operación será de 50 llz, demasiado baja para un «encoder» normal, por lo que la aplicación fundamental de esta entrada no es el contaje rápido, sino la detección de im pulsos cortos no repetitivos.
5.10. R E S U M E N Con el autómata en R U N , el pro grama de usuario se ejecuta siguiendo una secuencia o ciclo de operación que pasa por las siguientes etapas: — chequeos del sistema, — lectura de seriales desde la interfaz de entradas. — escritura de señales en la interfaz de salidas, — el procesado del programa para la obtención de las señales de con trol. Dado que se emplea un cierto tiem po en recorrer la secuencia (según nú
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mero de entradas/salidas y longitud del programa), el autómata no puede res ponder en tiempo real a sucesos que ocurren en el sistema exterior. Los retardos dependientes de entra das y salidas son debidos, en el caso de las primeras, al filtrado de señal que incorporan (filtro de paso bajo), y en las segundas (salidas), a los tiempos de respuesta del elem ento in te rru pte (relé, transistor, etc.) o convertidor D/A. Para las entradas, los retardos tipia* oscilan entre 10 ms y 100 ms. aunqu: algunos autómatas permiten ajustes de tiempo de filtros, a valores más p¿ queños. Para los tiempos típicos, la frecuen cias máxima de señal de entrada qued, limitada entre 100 llz y 10 Hz, de for ma que cualquier señal de frecuen cu superior, o de período Tos menor qu. el tiempo de filtro, no podrá ser leíd* desde las entradas estándar del autó mata. El problema se soluciona empleando los elementos de entrada de proces rápido, que podrán ser: — entradas especiales d e. filtrado
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AUTÓM ATAS M tO O R A M A BLtS
6. CONFIGURACIÓN DEL AUTÓM ATA 6.1. IN T R O D U C C IO N Por configuración del autómata se entiende la estructura que adopta su sistema físico, esencialmente la unidad de control, el sistema de entradas/sa lidas y la memoria de la máquina, a fin de adaptarlo a las particularidades de la aplicación: número de entradas/sa lidas, ubicación de las mismas, poten cia de cálculo, capacidad de almace namiento, etc. Dada la modularidad intrínseca del autómata, esta adaptación resulta par ticularmente sencilla utilizando los mó dulos y ampliaciones previstas a tal efecto por los fabricantes en sus dis tintos modelos y gamas. Así. existen básicamente dos confi guraciones posibles para la unidad de control: - unidad de control compacta (con trol centralizado), — unidad de control modular (con trol distribuido). En el primer caso, una sola C P U o unidad central de proceso soporta va rios módulos de entradas/salidas, que contienen exclusivamente interfaces E/S. Puesto que estos módulos no pue den funcionar de forma autónoma, el control queda centralizado en la C P U única. Por contra, en los sistemas de con trol distribuido existen varios módulos con sus propias unidades de proceso, y. en general, con sus propias interfaces de E/S. Estos módulos se encuentran conectados a una unidad central (C P U principal, maestra, supervjsora, etc.) que gestiona de forma general el sis tema y permite el intercambio de datos entre los elementos, procesadores o in terfaces, del mismo. En cuanto a la configuración del sis tema de entradas/salidas, éste puede ser, a su ve/
dios de almacenamiento (memorias) disponibles para su conexión al autó mata.
- centralizado. — distrihuido. Las interfaces de entrada/salida son centralizadas cuando se comunican con el autómata a través de su bus interno, sin necesidad de utilizar procesadores de comunicaciones intermedios. Por el contrario, si la comunicación necesita de estos procesadores, conec tados sobre el bus interno y unidos a los periféricos con cables de conexión apropiados, el sistema de entradas/sa lidas se denomina distribuido. Obsérvese que los conceptos de E/S centralizadas o distribuidas nada tiene que ver con su forma constructiva com pacta o en bastidor («rack»), pues exis ten entradas/salidas distribuidas a base de módulos compactos o a base de bas tidores periféricos. No deben confundirse tampoco los conceptos de entradas/salidas distri buidas y control distribuido, ya que este último hace referencia a la unidad de control y no a las interfaces E/S. En el presente capitulo se discuten las configuraciones que pueden adoptar la unidad de control y el sistema de entradas/salidas, con sus ventajas e in convenientes, y se enumeran los me
6.2. T IP O S D E P R O C E S A D O R E S EN LA U N ID A D C E N T R A L D E PRO C ESO Los autómatas programables han te nido un rápido desarrollo desde las pri meras máquinas lentas, compactas > con un limitado repertorio de instruc ciones, hasta los modernos autómatas modulares, capaces de ejecutar todo tipo de operaciones en el programa y de comunicarse con rapidez y seguri dad con el resto de elementos analó gicos y digitales del proceso (figura 6.1). Los procesadores utilizados en la C P U han seguido una evolución pa ralela al aumento de complejidad de las tareas de control encomendadas al au tómata, utilizando en cada momento los recursos que brindaba la tecnología microelectrónica. En la década de los setenta, la uni dad central se construía alrededor de un microprocesador comercial están dar, de 4 u 8 bits, utilizando un intér prete programado que convertía las ¡ns-
Finura 6.1. Evolución de las aplicaciones del autómata pronrumablc
P R O D U C C I O N O P E R A C IO N ES 1 OG 1C A S c o m b in a e io n a l e s
V S E C U E N C IA L E S
1980 | 1990 I 2000?I
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IN T E R F A C E S A/D P R O C E SA D O R E S E S P E C ÍF IC O S T R A T A M IE N T O d e d a t o s
GESTION D E PR O D U C C IO N E ST A D IS T IC A
C O N FIG U RA C IÓ N D IL AUTÓMATA
rucciones del programa de usuario en nstrucciones de dicho microprocesa dor. Esta solución, económicamente in gresante, fue profusamente utilizada :n pequeños autómatas compactos con menos de 128 puntos E/S y precio re.jcido, aunque presenta la desventaja Je su baja velocidad, que lleva el tient o medio de ejecución de instrucciones valores entre 10 y 50 /vs. En la década de los ochenta los m¡.T'proeesadores experimentan conti nuas mejoras en aspectos como lon, tud de palabra, que alcanza los 16 o ~1 bits, y velocidad de funcionamiento, .¡ue llega a decenas de megahercios. Xdemás, integran en su interior me-lorias y puertos de comunicación que >s convierten en pequeños microor::-nadores de bajo coste. ■\s¡. los microordenadores actuales ;e 8 a 32 bits (Intel, Motorola, Hitachi, re.) son perfectamente adecuados, en yanto a rapidez y potencia de direcoonamiento, para ejecutar un progra ma de usuario que haya sido traducido las instrucciones de su lenguaje má quina. Sin embargo, y a causa de su ngitud de palabra, no resultan có' idos para el tratamiento de variables ■mafias (señales lógicas todo-nada). Por ello, y dado el tipo de funciones .ue debe elaborar la unidad central, re lindas a variables binarias de bit. o a jriables digitales contenidas en pala -ras de 8 o 16 bits, la evolución del ■rocesador llevó a la división de éste dos unidades distintas, que coexis t o en la misma C P U : — microprocesador de bit, microprocesador de palabras.
indicaciones particulares del fabricante del autómata, resultando un procesa dor «a medida» («custom circuit»), per fectamente adaptado a las instrucciones básicas del autómata, con tiempos de ejecución menores de 1 //s/instrucción. Para los procesadores de palabras pueden utilizarse microprocesadores comerciales estándar, adaptados al len guaje del autómata mediante un intér prete, o utilizar también circuitos A S IC a medida. Esta última opción es téc nicamente más elegante y con ella se alcanzan mayores velocidades de ope ración sobre palabras, pero el desarro llo de estos circuitos necesita mucho tiempo, y es difícil y caro, por lo que esta variante se encuentra sólo en al gunos autómatas de altas prestaciones. Como ejemplo de una solución de mercado, la tabla 6.1 recoge la gama de procesadores de la familia de autó matas T S X 4Í), de Télémecanique, to dos ellos máquinas modulares com patibles entre sí. Como se observa en la tabla, las ta rcas de ejecución del programa se di viden en operaciones lógicas (1 bit) y tratamientos numéricos o de palabras (8/16/32 bits) Se encarga de las prime ras un procesador de bit especialmente concebido para operaciones booleanas, con alta velocidad de ejecución, mien tras que los segundos, los cálculos nu méricos, son ejecutados por procesa dores estándar de las series Intel.
Los pequeños autómatas actuales, con un número reducido de puntos E/S y un repertorio elemental de ¡nstruc ciones. utilizan un solo procesador mixto, de bit y palabra, integrado sobre dispositivos A SIC , lo que les permite reducidos tiempos de ejecución, me nores de 5 //s/instrucción. Un ejemplo de estos autómatas extrarrápidos son los nuevos Siemens S5-9ÜU y S5-95U, que pueden verse en la figura 6.2. Kn el extremo opuesto del mercado, los grandes autómatas modulares de elevada potencia de proceso incorporan C P U en las que el reparto de tareas en tre operaciones de bit y de palabra se completa aún más, subdividiendo el procesador de palabras en otros varios especializados en diferentes funciones: - ejecución de operaciones aritmé ticas, - comunicación con las unidades de entrada/salida, - proceso de temporizadores y con tadores, etc. De esta división se obtiene una ar quitectura de coprocesadores que re sulta la solución idónea si se pretende optimizar al máximo el tiempo de res puesta de una unidad central de pro ceso. La figura 6.3 muestra una configu ración típica de unidad central con co procesadores. Cada procesador elabora
Tabla 6,1. (jama de procesadores en los autómatas Je la serie TSX 40 de Tétemecanique. "'^ - - ..A U T O M A T A CO NCEPTEE -
TSX 47/67-40
TSX 87-41)
TSX 107-411
booleano
Específico
Especifico
Específico
Procesador numérico
Intel 8086
Intel 80386 S X
Intel 80386
instrucciones booleanas
0.5 //s 17,6 fis
0.5 //s 10 //s
0.32 ps
numéricas
10.76
6.20
2,94
4
i
1
Procesador
Los primeros son responsables de re•>lver las operaciones de combinación cica o booleana entre variables de I - mientras que los procesadores de ■ labras son los encargados de ejecutar - instruciones digitales entre palabras e S o 16 bits, que contienen datos de peraciones aritméticas, señales anaigicas convertidas a binario, etc. Los procesadores de bit se fabrican ,m tecnología A S IC («Application Speciflc Integrated Circuit») sobre dissitivos del tipo red de puertas («Gate >rray»), circuitos semifabrlcados que ■Jupian su configuración final bajo las
Tm,„ ejecución
7’mcd total* ms/K instrucc. Relación aproximada * 60% numéricas. 40% booleanas
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4,7 j/s
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CONFIGURACIÓN DKL AUTÓMATA
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AUTÓM ATAS M tO O RAM ABLKS
UNICO
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microprocesador estándar circuito ASIC especifico DORI
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F 1 de bils (/VS,C) 1 de palabras ( ASIC/cstándar)
PROCESADOR . M U LT IP LE i
t
’ supervisor (estándar) booleanos (ASIC) COPROCESADORFS < aritméticos (ASIC/est.) intercambios (ASIC/esi.) oíros pP (ASIC/esi.) i
Finura 6.6. Clasificación de procesadores para las CPV de autómatas unidad de control compacta, for mada por una sola C P U que ela bora el programa en monoproceso (en cada instante, se ejecuta una única instrucción).
unidad de control modular, con ejecución en multiproceso (en un instante dado, varios procesadores ejecutan distintos programas o ta reas de control).
Figura 6.7. Configuraciones compacta y modular de la unidad de control. r {], @s I—
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E/S IN T E R F A C E S p E C O M U N IC A C IO N
UNIDAO OE CONTROL
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— multiprocesadores centrales, procesador central + procesadores periféricos, — procesadores conectados en red.
UNID AD DE C O N TR O L
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CPU
La figura 6.7 muestra dos ejemplos de configuración, con unidades de control compacta y modular (de au tómatas en red, en este caso), respec tivamente. F.n el primer ejemplo, un único pro cesador, dentro de una C P U más o me nos compleja, se encarga de controlar toda la planta. Para ello, ejecuta un solo programa que contiene todas las ruti nas de control, y elabora las órdenes de mando de forma secuencial. una detrás de otra. En el segundo caso, la tarea de con trol se divide entre varias unidades cen trales o C P U trabajando en paralelo, lo que permite repartir entre ellas, según la programación del usuario, el trabajo de elaboración de señales y control de salidas. Esta arquitectura multiproceso re dunda en un aumento de la potencia global del sistema, al descargar las ta rcas sobre varios procesadores que las ejecutan de forma más eficiente, y con mayor rapidez, en los lazos respectivos de comunicación y control. Por la ubicación e interconexión de los procesadores que forman la unidad de control de un sistema modular de autómatas, se obtienen las siguientes arquitecturas posibles:
Si se utilizan procesadores conecta dos en red, las tareas de control de planta se reparten entre diferentes au tómatas o sistemas de control, que aun que podrían funcionar en forma au tónoma, trabajan coordinadamente en tre sí unidos por una red local. El estudio de las redes locales entre autómatas se aborda en la tercera parte de esta obra. Las dos restantes arquitecturas de control modular, que ofrecen solucio nes distintas a la optimización del tiem po de respuesta, se describen a conti nuación.
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6.3.1. Multiprocesadores centrales
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La arquitectura de multiprocesado res se obtiene al conectar, sobre un mismo bastidor, varias unidades cen-
C O M U N IC AC IO N ES
' mura 6.S. Arquitectura de muitiprocesadares. •Mies gestionadas por una unidad de .oordinación o coordinador. Cada una Je estas unidades ejecuta una parte del programa de usuario (subprograma) de forma independiente a las demás, deHniendo su propio ciclo de ejecución. De esta forma, el máximo tiempo de respuesta para una señal de planta vie ne dado por el mayor de los tiempos de ciclo, y no por la suma de todos ellos. Todas las unidades centrales tienen •icceso al mismo mapa de entradas/sadas del autómata, estableciendo cada ■jna la gestión del bus y el intercambio Je datos con la periferia y con las o f unidades cuando lo permite el coor dinador superior. No deben confundirse las arquitec turas de la C P U con las de la unidad e control: en el primer caso, el tér mino coprocesadores se refiere a la existencia de varios microprocesadores agrupados dentro de una misma tarjeta módulo, interconectados internadiente según disposición del fabricante, con un supervisor que se encarga del reparto de tareas funcionando de forma
transparente para el usuario. En el se gundo caso, el término coprocesadores, o mejor, multiprocesadores centrales, se refiere a una agrupación de C P U o tarjetas centrales, cada una de ellas con su propia memoria, procesador interno, y programa especifico de usuario, interconectadas entre si y con el resto del sistema a nivel de bus interno o ex tensión de bus según disposición del usuario. F.stas diferencias se hacen pa tentes comparando la figura 6.8, que presenta una arquitectura de mulliprocesador, con la figura 6.3, que muestra una unidad central con copro cesadores. En la arquitectura mulliprocesador cada C P U trabaja cíclicamente, con in tercambio de información a través de la unidad de coordinación, siguiendo la siguiente secuencia: — actualización de señales de entra da, y lectura de datos del coor dinador, ejecución del programa de usua rio. - actualización de señales de salida.
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y transmisión de datos al coor dinador. Como se observa, la unidad de coor dinación es pieza fundamental en el funcionamiento de las unidades cen trales conectadas, realizando dos fun ciones específicas: — Asigna cíclicamente a cada pro cesador el bus interno del autó mata, para intercambio de datos de E/S y comunicación con pe riféricos externos. — Actúa como origen/destino de la inform ación transm itida entre procesadores, que tienen acceso a un área de memoria común en el coordinador donde lodos ellos pueden leer/escribir da,os. Además, esta unidad actúa como procesador principal, incorporando los elementos de mando general del au tómata: — interruptores de arranque/parada («Run/Stop»),
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CO M U NIC AC IO NES
ura 6.8. Arquitectura de multiprocesadnres.
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Je s gestionadas por una unidad de rdínación o coordinador. Cada una estas unidades ejecuta una parte del - grama de usuario (subprograma) de ma independiente a las demás, de ' endo su propio ciclo de ejecución. De esta forma, el máximo tiempo de .'puesta para una señal de planta vie*: dado por el mayor de los tiempos : ciclo, y no por la suma de todos rtlos. Todas las unidades centrales tienen .eso al mismo mapa de entradas/sa ri is del autómata, estableciendo cada . la gestión del bus y el intercambio dalos con la periferia y con las ot ■ •idades cuando lo permite el coor dinador superior. No deben confundirse las arquitcc,.m s de la C P U con las de la unidad J : control: en el primer caso, el tér-•no coprocesadores se refiere a la siencia de varios microprocesadores «v upados dentro de una misma tarjeta i módulo, interconeclados interna-nente según disposición del fabricante, . . 'n un supervisor que se encarga del c ".o de tareas funcionando de forma
transparente para el usuario. En el se gundo caso, el término coprocesadores, o mejor, mulliprocesadores centrales, se refiere a una agrupación de C P U o tarjetas centrales, cada una de ellas con su propia memoria, procesador interno, y programa especifico de usuario, interconcctadas entre si y con el resto del sistema a nivel de bus interno o ex tensión de bus según disposición del usuario. Estas diferencias se hacen pa tentes comparando la figura 6.8. que presenta una arquitectura de multiprocesador. con la figura 6.3, que muestra una unidad central con copro cesadores. En la arquitectura multiprocesador cada C P U trabaja cíclicamente, con in tercambio de información u través de la unidad de coordinación, siguiendo la siguiente secuencia: — actualización de señales de entra da, y lectura de datos del coor dinador, — ejecución del programa de usua rio, — actualización de señales de salida.
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y transmisión de dalos al coor dinador. Como se observa, la unidad de coor dinación es pieza fundamental en el funcionamiento de las unidades cen trales conectadas, realizando dos fun ciones específicas: - Asigna cíclicamente a cada pro cesador el bus interno del autó mata, para intercambio de datos de E/S y comunicación con pe riféricos externos. - Actúa como origen/destino de la inform ación transm itida entre procesadores, que tienen acceso a un área de memoria común en el coordinador donde todos ellos pueden leer/escribir da.os. Además, esta unidad actúa como procesador principal, incorporando los elementos de mando general del au tómata: - interruptores de arranque/parada («Run/Stop»),
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salida de los Valores de consigna a los «driversn del elemento aeluador, desencadenamiento de las órde nes de control asociadas al final del movimiento. Adicionalmcnte, y si el control de posición se hace en lazo cerrado, la C P U tendrá que establecer un lazo de regulación de posición sobre el móvil: control continuo de la posición, para fluidificar los valores de sa lida según las indicaciones de la consigna. — lectura y comprobación de llnal de movimiento (punto alcanzado). Estas operaciones presentan las si guientes características: — son muy especializadas (control de posición de un móvil). — son repetitivas (la secuencia es la misma sea cual sea la posición 11nal deseada). — exigen gran potencia de cálculo (tratamiento de señales digitales y resolución de ecuaciones numé ricas). Por la primera característica, no re sulta conveniente introducir las ope raciones como de ejecución estándar para la C P U , ya que sólo serán nece sarias en un número limitado de apli caciones. Sin embargo, las otras dos ca racterísticas obligan a la C P U a largos tiempos de ejecución, si las operacio nes son ordenadas desde el programa general. En este último cuso, el usuario se enfrenta además a un doble problema: — Conocer a la perfección la teoría del posicionamiento de ejes (ram pas de aceleración/deceleración, generación de la consigna de ve locidad. etc.) — Programar la secuencia de posi cionamiento con las instrucciones del autómata, que no serán, pro bablemente, las más adecuadas para ello. Puesto que. desde el punto de vista del programador, lo único que interesa son los valores de posición deseados.
y la lectura de posición alcanzada (ope raciones primera y última de la se cuencia anterior enunciada), la solu ción adoptada por los fabricantes con siste en definir un módulo procesador especializado, de conexión opcional a la unidad central, capaz de ejecutar de forma autónoma la secuencia de po sicionamiento pedida. A este módulo le basta conocer las coordenadas de la posición llnal de seada y los valores limite de velocidad y aceleración impuestos, limitándose su programación al envió por parte de la C P U . y bajo control del programa de usuario, de estos parámetros de la apli cación: alcanzada la posición, el mó dulo reaccionará de forma autónoma y además advertirá de ello a la C P U para que esta decida en consecuencia. El intercambio de datos entre la C P U y el procesador periférico se realiza por medio de operaciones de lectura/escri tura en un bloque de memoria R A M (memoria interna de trabajo) que. aun que contenida en el periférico, tiene sus direcciones comunes a ambos pro cesadores. En aplicaciones muy sencillas, como por ejemplo regulación de temperatura, basta cargar en el procesador periférico los parámetros del regulador, mientras que otros procesadores más especiali zados, como por ejemplo los de posi cionamiento de ejes, necesitan además un programa adicional que, escrito con un lenguaje específico de programación sencillo y potente, mejora y ayuda a la aplicación. Esta diferente complejidad en la ta rea a ejecutar permite subdividir a estos periféricos en: interfaces inteligentes de E/S, - procesadores periféricos inteligen tes. l.os primeros son módulos de E/S especializados en la ejecución de tareas concretas (cuenta de impulsos, detec ción de umbrales, etc.), con cierto con trol sobre salidas binarias incorporadas en la tarjeta o módulo. Puesto que la capacidad de proceso y tratamiento de señal está muy limitada en ellos, estos elementos deben ser considerados más bien como entradas/salidas inteligen tes, y como tales son estudiadas en el capítulo 9,
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Los procesadores periféricos, por su parte, son C P U especializadas en cier tas aplicaciones de regulación y control, con entradas y salidas analógicas y di gitales incorporadas, que solicitan del programa de usuario únicamente los parámetros y consignas de la aplica ción. Conseguidos éstos, el funciona miento posterior es totalmente autó nomo a la C P U principal. Un procesador periférico inteligente se deline entonces como un procesador auxiliar, con sus propias memorias e interfaces de entrada/salida, que con tiene en origen un programa o intér prete de programa especializado en la ejecución de una tarea concreta: — Procesador, porque incorpora su propio sistema //P, que le permite ejecutar de forma autónoma ta reas críticas en el tiempo. — Periférico, porque está unido a la unidad central a través del bus in terno del autómata, pero no exige la presencia de una unidad de coordinación puesto que incluye sus propias interfaces E/S. — Inteligente, porque incorpora en su memoria el programa de tra tamiento específico (regulación, posicionamiento, etc.), al que se le indica, desde el programa de usuario, los parámetros particula res de la aplicación (constantes P ID , coordenadas del movimien to, etc.). Estos procesadores auxiliares se co munican con la C P U para el intercam bio de una información en general re ducida, que suele consistir en (figura 6.11): — Parámetros de configuración y, si procede, programa de ejecución especializado, de la C P U al pro cesador — Órdenes de control de funciona miento (parada, modo de trabajo, etc.), de la C P U al procesador. — Señales de interrupción, indica ciones de lin de operación y va lores digitales elaborados del pro cesador ,i la C PU . I a arquitectura general de un pro cesador periférico inteligente es la si guiente ifigura 6 12):
TAREA GLOBAL PARAM E T RO S \ i - CONTROL íolls y
T A P t A Gi Nf RAL
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CHÍ.OO
PRO C ESA D O RES PE R lf E R i l O S
P »S
RESULTADOS
' "tura 6. II. Conexión de procesadores periféricos en el uníórnutu. unidad de proceso (microproce sador). memoria R A M de proceso local, interfaz al bus interno del autó mata, mem oria R A M / E E P R O M para intercambio de dalos y carga de parámetros. memoria R O M / E P R O M del pro grama especifico del módulo, interfaz externa a la planta, par ticular para cada módulo.
Los tres primeros bloques suelen ser comunes dentro de la gama de pro cesadores de un cierto fabricante, para reducir costes de desarrollo y asegurar la compatibilidad con las C P U , mien tras que el programa y la interfaz, de las salidas depende de la aplicación parti cular del módulo. La unidad de proceso se encarga de la ejecución del programa de control especifico, y de la atención a la C P U del autómata para intercambio de in-
•cura 6.12. Diagrama de hinques de an procesador periférico.
RAM
I O C AL
C=3
O
R O M /EPRO M PROGRAMA DE API IC ACIÓN
c o n ecto r
E /S ANALÓGICAS
1 DE P U L S O S
UNIDAD DE
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PRO CESO
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E / S D IG IT A L E S
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PA RTE E S P E C ÍF IC A
formaciones a través del bus Inter-. Su ciclo de funcionamiento es asincr • no c independiente del ciclo del au tómata. utilizando sus propias rutinas de autocomprobación o test. Las sitúa ciones de error son señalizadas por mu nitorización mediante diodos L E I) , o pueden ser consultadas por chequeo de las palabras de estado almacenadas en la memoria interna. El microprocesador interno dispone de una memoria R A M específica, que no aparece en el mapa de direcciones accesible al usuario (y por tanto, es oculta a él), que se utiliza para alma cenamiento de variables locales y re sultados intermedios del proceso que ejecuta. El área de memoria R A M / E E P R O M es compartida por el procesador peri férico y la C P U para almacenamiento de parámetros y programas de confi guración, lectura de estados, e inter cambio de valores digitales de o hacia el proceso. Todos estos intercambios son ordenados por el programa de usuario, para quien se convierten en simples desplazamientos de datos (8 o !6 bits) entre registros del mapa de di recciones del autómata. La memoria R O M / E P R O M de pro grama específico contiene la secuencia de operaciones a realizar para la eje cución de la tarea de control enco mendada al módulo. Está programada por el fabricante, y no es modificable por el usuario. Las variables de entrada a este programa son los parámetros en viados por la C P U , y las variables de salida son los datos elaborados o las órdenes de mando enviadas por la latjeta al proceso que controla. La interfaz de salida, especifica para cada módulo, adapta las señales digi tales o binarias elaboradas por el pro cesador al proceso controlado: niveles ile tensión ± 12 V I)C pura transmisión serie V.24. pulsos T T L para el mando de motores paso a paso, etc. Si se utilizan módulos inteligentes de regulación para las tareas de regula ción, de posicionamiento para el des plazamiento de móviles, de comuni caciones para transferencias de infor mación. etc., se aumenta la potencia de proceso y se obtienen, simultáneamen te, las siguientes ventajas:
A P L 'C A C IO M
AUTÓMATA
- Se descarga a la unidad central de
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trabajo, de forma que aumenta su eficiencia en la ejecución del pro grama de mando. — Se descarga al usuario de la pro gramación de procesos que no sean estrictam ente de mando, manteniendo la facilidad de uso del autómata. Con las ventajas anteriores, no es de extrañar que el desarrollo de periféricos inteligentes adaptados a la solución de problemas concretos, tanto en sus ver siones simplificadas de interfaz E/S. como avanzadas de procesador, haya sido ampliamente aceptado por los fa bricantes de autómatas. Estos módulos periféricos pueden re cibir, además de éste, y según el fa bricante, distintos nombres: — tarjetas tecnológicas, — procesadores auxiliares, — interfaces E/S dedicadas, — acopladores especializados, etc. Una relación de periféricos inteligen tes disponibles, según modelos de au tómata. nos mostraría, entre otros, los siguientes: 1. Medida de posición, velocidad y ace leración. Para la entrada y elaboración de se ñales de movimiento, leídas a través de:
— codificadores increméntales (lec tura de impulsos), — codificadores absolutos (código digital), — sensores analógicos (señales ten sión/corriente), la C P U dialoga con el procesador: — por zar — por con
interrupción de éste, al alcan la cuenta, consulta de estados, síncrona el programa.
2, Carnaje y tratamiento de impulsos de alia frecuencia. Para la lectura y elaboración de im pulsos rápidos de cuenta, con distintos modos de funcionamiento del conta dor:
— validación/inhibición del meca nismo de contaje,
- contaje de impulsos externos e in ternos (temporizador), - funcionamiento ¡ncremental, con retorno automático a cero cuan do se alcanza el módulo de cuen ta, funcionamiento ¡ncremental, con inicio de cuenta desde un valor inicial de preselección, etc. J. Reguladores de temperatura. Para regulación P ID de temperatu ras, con lectura, linealización y vigilan cia de los valores de medida. El sensor de temperatura puede ser:
P t l O O .
Pueden seleccionarse: - constantes det regulador,
t„
r„ - margen de histéresis y valores lí mite, - tiempos de exploración de entra das, estructuras de regulación, si la tar jeta contiene más de un regulador PID . 4. Control de motores de CC/CA. Para el control de posición de un móvil sobre un eje lineal, impulsado por un motor C C o C A , con posición, aceleración y velocidad indicadas como parámetros, lectura de posición por co dificador ¡ncremental o absoluto, y sa lida de consigna en tensión (± 10 V C C ), para variador externo de velo cidad,
5. Control de molares paso a paso. Para el control de posición de un móvil sobre un eje lineal, impulsado por un motor paso a paso, con posi ción. aceleración y velocidad indicadas como parámetros, lectura optativa de posición por codificador ¡ncremental o absoluto, y salida de pulsos al equipo de potencia del motor. ó. Control de válvulas y servoválvulas. Para mando directo (sin electrónica adicional) de válvulas - proporcionales. - servoválvulas en lazos abierto o cerrado.
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— valor de consigna. — frecuencias de corte de los filtros de entrada, — limites de regulación. — valores de alarma. — otros parámetros de regulación La C P U mento:
puede leer en todo mo
valores analógicos de entrada y sa lida al regulador, — estado de las alarmas, — información de estado del regu lador.
- termopar, -
7. Reguladores genéricos PID . Para establecer lazos cerrados de re gulación PID . Eos parámetros enviados por la C P U son:
El regulador puede funcionar: — independiente de la C P U (sólo re cibe la tabla de parámetros inicia les), — en lazo de control adaptativo (la C P U modifica los parámetros se gún las lecturas de señal del sis tema).
ti. Procesadores de comunicaciones serte. Para el tráfico de dalos con aparatos con canal serie estándar:
— — — —
autómatas, ordenadores, registradores e impresoras, dispositivos RS-232/RS-422 en ge neral.
El procesador permite la programa ción, depuración y monitorización a distancia, desde una unidad de progra mación o un ordenador con un soft ware de control estándar. El medio de transmisión puede ser cable o fibra óptica, con prestaciones diversas, como se verá en el capitulo 14.
ó. Procesadores de interconexión a red local. Para la conexión del autómata a una red de área local El procesador se en carga de realizar
C O N FIG U RA C IÓ N DEL AUTÓMATA
— gestión de acceso a la red. - establecimiento del enlace lógico, — empaquetamiento de datos y ges tión de flujo, - gestión de errores descargando a la C P U de estas tareas. La conexión a red puede establecer se sobre cable (trenzado o coaxial) o 'ibra óptica.
Se ñ a le s de com probación y test
P r o c e s a d o r de acopla m iento
•
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CPU
E/S
Autómata p rm e »pol
1
C PU
E/S
d
A u tó m a ta de re s e rv a
PRO C ESO
'i. Adaptadores de señales analógicas. Para convertir señales analógicas .ualesquicra del proceso en valores di gitales. Se encargan de:
- adquirir la señal (tensión o co rriente), - realizar la conversión A/D. — efectuar el tratamiento (Idealiza ción, raíz cuadrada, etc.), — realizar cambios de escala y con versiones porcentuales. La C P U puede parametrizar el fun cionamiento para recoger valores di gitales directamente utilizables por el programa. En el capítulo 9 se estudian algunos ejemplos concretos de periféricos es pecializados, tanto en sus versiones más -encillas, de entradas/salidas inteligen’.es, como en las avanzadas de proce sadores periféricos.
6.4. U N ID A D E S D E C O N T R O L RED UN D AN TES Muchas aplicaciones de automati zación exigen seguridades en el fun cionamiento superiores a las habitua les. por los riesgos personales, ecoló gicos o económicos que comporta un alio del sistema: — control de plantas químicas, — transportes públicos, — conducciones de materias tóxicas o inflamables, etc. En estos casos deberá procurarse a máxima disponibilidad, o probabili dad de que el equipo se mantenga en uncionamiento. del sistema de con trol Existen dos formas de aumentar la disponibilidad cuando se trabaja con autómatas programables:
Figura (h/Í. Aumento de la disponibilidad con funcionani¡ento redundante. — funcionamiento redundante (re dundancia total), — funcionamiento supervisado (re dundancia parcial). En el primer caso se tienen dos uni dades idénticas (C P U , memoria de pro grama e interfaces de E/S) acopladas entre si, en enlace permanente con el proceso y funcionando en paralelo (fi gura 6.13). Ambos aparatos comparan continua mente sus estados y variables internas, y si los valores observados difieren en tre si el autómata responde de una de las siguientes formas: 1. Entrando en un subprograma de seguridad que lleve el proceso a un punto de no peligro. 2. Conmutando la unidad de reserva con la defectuosa, para permitir la reparación de ésta por el personal de mantenimiento. En funcionamiento supervisado se tienen dos C P U idénticas, también aco pladas entre sí, pero conectadas a las mismas interfaces de E/S (figura 6.14). Esta estructura es conceplualmente semejante a la anterior, pero la redun dancia se limita ahora a la C P U y a la memoria de programa. Sólo la C P U principal o en funcio namiento activo lee señales de entrada y emite señales de salida. La C P U de reserva recoge el estado de las variables E/S de la memoria imagen de la C P U principal, y ejecuta en paralelo su pro pio programa de usuario, idéntico al que corre en la C P U activa. Si los re
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sultados obtenidos por ambas difieren, el autómata responde como se ha in dicado anteriormente en la redundan cia total. Obviamente, es el usuario quien de cide el nivel de redundancia de su apli cación. Asi, puede doblar algunas se ñales, que considere criticas, y man tener otras, de poca relevancia para el proceso, sin duplicar. Es de destacar que estos sistemas de control de seguridad no exigen ninguna programación adicional: la información para el funcionamiento redundante está ya programada en el «firmware» inter no de las C P U o de los procesadores de acoplamiento, en forma de funcio nes adicionales a las estándares de comprobación y test. Estas funciones deben encargarse entonces de los siguientes puntos: 1. Sincronización de funcionamien to frente a determinados aconte cimientos no peligrosos, pero que, sin embargo, podrían llevar las C P U a estados internos diferen tes. Por ejemplo, diferencias en los retardos de lectura al variar li geramente las características de las interfaces en uno u otro módulo. 2. Transmisión de estados y varia bles internas entre las memorias de las C P U principal y de reserva, a fin de poder comparar el fun cionamiento de ambas y conmu tar instantáneamente de una a otra en caso de avería. 3. Supervisión y señalización del es tado de funcionamiento de ambos autómatas (normal o averia) 4. Conmutación o señalización de la unidad defectuosa:
Figura 6.14. Aumento de la disponibilidad con funcionamiento supervisado. S e ñ a le s de com prob ación y test
|
CPU
PRINCIPAL
1
E/S
CPU DE RESERVA
PRO CESO
Sí la avería tiene lugar en el au tómata principal, se activa el de reserva sin desconectar el pro ceso. Si la averia tiene lugar en el au tómata de reserva, se señaliza mediante una indicación de error mientras el principal con tinúa controlando el proceso. La mayor complejidad del sistema operativo eleva significativamente los tiempos de ciclo resultantes, es decir. el aumento de disponibilidad de una aplicación tiene su contrapartida en la reducción de la frecuencia máxima de trabajo. Para conseguir una operación libre de interrupciones, el sistema operativo debe no sólo identificar las averias sino también localizarlas, a fin de poder conmutar el elemento defectuoso al de reserva. Esta localización, que es in mediata en el caso de problemas en las C P U , no lo es tanto si se trata de uni dades de entrada/salida: en este caso, serán necesarias entradas auxiliares al autómata que comprueben el estado de la entrada/salida bajo test. Como ejemplo, la figura 6.15 mues tra la identificación (figura 6.15r/> y lo calización (figura 6.156) de averías en una interfaz de entradas, con una con figuración redundante del sistema de entradas/salidas. Como se observa, en la identifica ción se delecta el problema en una de las dos interfaces, cuando las lecturas de entrada no coinciden, pero el sis tema operativo no logra discernir en cuál. La respuesta apropiada en este caso seria la ejecución de un programa de parada controlada del proceso. Para la localización de averías se uti lizan salidas adicionales que llevan ten sión a los detectores, una por cada uno de los módulos de entradas, desaco pladas éstas entre si con diodos de opo sición. Cuando se detecta diferencia en la señal leída, el sistema operativo pone a cero las salidas de alimentación: aquella entrada que difiera de su ho mologa, y no conmute inmediatamente su estado de « I» a «0», será defectuosa. Las entradas adicionales de compro bación mostradas en la citada figura aseguran que efectivamente están fun cionando las salidas de alimentación a detectores.
Con este esquema de conexiones el autómata no sólo identifica la avería en el sistema de entradas, sino que ade más localiza la ¡nterlaz defectuosa, pudiendo desconectarla y conmutar su funcionamiento a la interfaz de reserva. Ejemplos de autómatas que pueden trabajar en configuraciones redundantes son el C2000II de Omron, el S5-I55II de Siemens, y el IPC 620 de KlocknerMoeller, entre otros.
CONFIGURACIONES DEL SISTEMA DE ENTRADAS/SALIDAS
6.5.
El sistema de entradas/salidas de un autómata esta formado por las inter faces E/S y los bastidores de soporte de los mismos, que en conjunto:
Finura 6.15. Identificación y localización de averias en las interfaces de entrada.
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permiten el intercambio de infor mación entre el autómata y la planta, y proporcionan un soporte físico para la identificación o direccionamicntu de los dispositivos P/S conectados a los bornes. Para dintcnslonar correctamente el autómata y reducir los costes del hard ware, parece conveniente adaptar el nú mero de entradas/salidas conectadas a una misma C P U a las necesidades rea les del usuario, por lo que los lubri cantes proveen de modularidad a sus equipos. Esta modularidad se hace más ne cesaria en autómatas de gamas medias y altas y montaje en «rack» o bastidor, donde se dispone de C P U con potencia de cálculo elevada que necesitan con trolar un número variable, menor o mayor según la aplicación, de puntos de entrada y salida, incluso situados a gran distancia de la unidad de control. Los autómatas disponen entonces de módulos o tarjetas E/S independientes, con sus circuitos de interfaz, conexión al bus interno y hornero exterior. Los módulos, que se suministran por se parado de la C P U , permiten configurar el sistema de entradas/salidas a la me dida del usuaria. Aunque la existencia de interfaces E/S conectadles a bastidor es caracte rística de autómatas modulares, las ventajas que aportan en adaptabilidad y flexibilidad del sistema E/S han lle vado a su desarrollo Incluso para au tómatas compactos o miniautómatas. Estas máquinas permiten ampliar sus entradas/salidas no por conexión de tarjetas en un bastidor, que no existe partí ellos, sino utilizando unidades de expansión compactas, conectadas por cable, con una distribución rígida de los bornes sobre la que el usuario no puede actuar. Se tiene asi que en los desarrollos con autómatas programables existe una gran variedad de configuraciones y po sibilidades constructivas en el sistema de entradas/salidas, utilizando los mó dulos \ unidades de expansión dispo nibles. Estas configuraciones, que se dis cutirán a continuación, aparecen sin tetizadas en la figura 6.16. Las entradas salidas centralizadas se
C O N FIG U RA C IÓ N D IL AUTÓM ATA
r
( Autómatas
Módulos de extensión de E/S
I compactos
, Unidades E/S compactas
C E N T R A L IZ A D A S I Autómatas
Módulos E/S sobre bastidor
^ modulares
Bastidores de extensión
I
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| expansión
Autómatas
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•
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l
1 Unidades de
compactos
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t bux de campo
( able labra Radio
¿ara 6.16. Configuraciones del sistema de E/S
m e c ía n üirectamenle a la C P U del all ómala. con transmisión de dalos en .-■.iralelo, mientras que las entradas/saidas distribuidas se unen con el aumata base a través de un módulo de r.erconexión o procesador de enlace E/S («J/O Master Unit»), con transnisión serie de datos sobre cable o li ma óptica. El sistema de entradas/salidas dis•-muidas puede, a su vez, estar com etid o por varios procesadores o aucmalas, en sistemas de control distrisuido que implementan estructuras soisticadas y complejas, objeto de aná.isis en los capítulos dedicados a las reJes de autómatas.
— Las transferencias de datos se rea lizan en paralelo. — Están colocadas a distancias me nores de 5 m del autómata base. — Según modelos, pueden no usar fuente de alimentación propia, re cogiendo las tensiones de trabajo sobre las líneas del bus interno o de la interfaz amplificadora. — La expansión se limita normal mente a interfaces E/S digitales (señales todo/nada o contaje de impulsos), e ¡ntertáces analógicas sin tratamiento de señal. En las conliguraciones de estas uni dades E/S centralizadas hay que dis tinguir entre las correspondientes a:
h.5.1, F.ntradas/salidas centralizadas Las entradas/salidas centralizadas se aponen en las inmediaciones de la C PU . o autómata base, a fin de au mentar el número de puntos E/S dis-onibles, dentro de la capacidad de d¡reccionamiento del procesador. Estas entradas/salidas responden a as siguientes características: — Se conectan a la C P U a través del bus interno de! autómata, sin in tervención de ningún tipo de adaptador o procesador de co municaciones (a lo sumo, pueden necesitar una interlaz amplifica dora de señales del bus).
— autómatas de entradas/salidas compactas, y — autómatas de entradas/salidas modulares, que presentan dife rentes características de conexión. Los autómatas compactos presentan una estructura cerrada, con la C P U y las interfaces contenidas en una en volvente común, denominada autó mata base. Pueden clasificarse, preci samente, por el número de puntos E/S que incorporan en este «envase» co mún, en: — miniautómatas, con 24 < E/S < < 60,
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- microautómatas, con E/S < 24 Los miniautómatas pueden ampliar se mediante unidades E/S compactas o mediante módulos de extensión E/S, siempre conectados entre sí y al au tómata base por medio de cables de expansión. Las unidades E/S compactas, que tienen un aspecto exterior muy se mejante al de la unidad base que con tiene la C P U , combinan interfaces de entrada y salida con distribuciones 8E/6S. 22E/I2S y 24E/I6S, como más frecuentes. Es posible conectar varias de estas unidades de expansión sobre el mismo bus interno del autómata, unidas todas ellas a la misma C P U hasta el límite de direccionamiento que ésta permita. En estos casos, y si la unidad tiene conectores diferenciados de entrada y sa lida. puede ser necesario conectar una resistencia o adaptador de fin de linea en el conector de salida de la última de ellas, a fin de evitar funcionamientos defectuosos por señales reflejadas. Las unidades E/S compactas inclu yen normalmente su propia fuente de alimentación con entrada 110/220 V, v o 24 V ( ( , y una fuente de salida a 24 V , , para alimentación de captadores y sensores de entrada (y, si las cargas y la instalación lo permiten, de actuadores de salida). La figura 6.17 muestra un miniau tómata compacto, el CI20 de Ontrón, y la configuración máxima de entra das/salidas centralizadas que se obtiene al conectar tres unidades de expansión E/S a la unidad base. Pueden obte nerse distintas combinaciones de pun tos E/S, hasta un máximo de 256 en este caso. Los módulos de expansión E/S, a diferencia de las unidades anteriores, contienen únicamente interfaces de en trada o interfaces de salida, en un nú mero limitado a sólo 4 u 8 puntos por módulo, y no incorporan fuente de ali mentación. recogiendo la tensión de funcionamiento del cable de conexión. Están disponibles módulos especia les de entradas o salidas analógicas, temporizadores y contadores rápidos, etcétera. La figura 6.18 muestra los miniau tómatas T S X 17 de Télémecanique y algunos de los módulos de expansión que pueden soportar.
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C O N PIO U RA C IÓ N D IL AUTÓMATA
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■
única de hilo eléctrico o fibra óp tica, a través de procesadores de comunicaciones maestro-esclavo. - Permite ahorro de costes de mon taje y material, suprimiéndose in cluso los bornes intermedios de conexión. — Aumenta la seguridad en la trans misión, al incluir los procesadores de enlace un diagnóstico de ave rías que permite comprobar las conexiones eléctricas y el funcio namiento de los propios procesa dores, además de la comproba ción de integridad («checksum») de la trama enviada. De esta for ma se asegura que las señales re cogidas en la planta están siendo leidas por la C P U . y viceversa.
■
Según la conexión con el autómata base que contiene la C P U . las expan siones de entradas/salidas distribuidas pueden adoptar las siguientes confi guraciones:
RI resultado de este diagnóstico, como el de los tests de comprobación de funcionamiento del autómata, pue de consultarse de diferentes formas:
- fías: Un solo procesador de enlace en la unidad base se conecta en bus eon cada uno de los proce sadores locales. Estrella: La unidad base contiene tantos procesadores de enlace como unidades de expansión se necesiten, de forma que es posible la desconexión total de cualquiera de ellos sin afectar al funciona miento del conjunto. — M ixta: La unidad base contieneprocesadores independientes para cada expansión, pero, a su vez. cada una de estas expansiones pue de estar formada por varias uni dades conectadas en bus entre sí.
- mediante señalizadores « L I D» si tuados en el procesador de enlace. — leyendo en la unidad de progra-
Las figuras 6,23 a 6.25 muestran estas diferentes configuraciones del sistema distribuido de entradas/salidas. Como
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se aprecia en las figuras, las expansio nes distribuidas pueden, a su vez. estar constituidas por varios bastidores. Dependiendo de las distancias de in terconexión, es posible una clasifica ción adicional de estas entradas/salidas distribuidas. Asi, se distingue entre en tradas/salidas locales o remotas. Esencialmente, una unidad de entra das/salidas distribuidas es local cuando las unidades de expansión se colocan a distancias entre 50 y 100 metros, lo que impide la conexión directa a bus interno característica de los sistemas centralizados. Por esta razón, deben existir proce sadores de enlace E/S en la unidad base y en la unidad de expansión, que se encargan de efectuar las conversiones serie/paralelo y paralelo/serie entre el bus interno del autómata y las lineas de comunicación serie, y de supervisar la integridad de las comunicaciones. Al igual que las expansiones centra lizadas de entradas/salidas, las distri buidas locales se limitan normalmente a interfaces F./S digitales e interfaces analógicas sin tratamiento de señal. Sin embargo, a diferencia de aquéllas, las unidades incluyen su propia fuente de alimentación y la comunicación con la C P U se realiza a través de un canal serie. Las E/S distribuidas se denominan remotas cuando la distancia de cone xión con la unidad base es superior a 100 metros, alcanzando en algunos mo delos hasta algunas decenas de kiló metros. A diferencia de lo habitual en ex pansiones centralizadas o locales, co nexión con puntos E/S estándar ana lógicos o digitales, las entradas/salidas remotas pueden incluir procesadores auxiliares o tarjetas con tratamiento de señal, como por ejemplo: - módulos de contaje y posicionamiento, - reguladores P ID en lazo cerrado, - módulos de interfaz para cone xión a periféricos (impresoras, v¡sualizudores. etc.), reguladores de velocidad de mo tores. etc. La comunicación, siempre vía serie, entre el procesador maestro en la uni dad base («l/O Master Llnit») y los pro-
Bu s d e ex pansión E /S
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E/S
Expansión E /S
P io c e s a d o r de en la ce E I S
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6.2.?.
Expansiones de E/S con estructura de hus.
. -.dores esclavos en las unidades de - unsión («l/O Slave Unit»), se rea . mediante interfaces estándar RS I 12 422/485. utilizando protocolos es.ilicos del fabricante, o buses de
campo norm alizados ( P R O F I B U S . V fO D BU S. etc.), sobre soporte eléctri co u óptico. Precisamente, la distancia máxima entre estaciones, y la longitud total del
'¿■a 6.S. Medios de transmisión para conexión de E/S remotas. Distancia máxima
Velocidad (*)
l'.ir ircn/ado. con malla
2000 m
375 KBd
Cable coaxial
4000 m
1.5 M Bd
20 km
1.5 M Bd
t >NCEPTO
1 bra óptica • I H-’pendi' di' tu distancia
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bus de expansión, dependen del so porte o medio físico empleado, cable eléctrico o libra óptica, aunque los va lores finales son muy variables depen diendo del fabricante. La tabla 6.5 muestra una compara ción aproximada entre estos diferentes medios. El uso de la tecnología óptica frente a la del cobre permite extender las ex pansiones incluso a zonas de alto nivel de ruido eléctrico: la transmisión por libra no es electrónica, sino fotónica («impulsos» de luz), por lo que no se ve afectada por campos electromag néticos ni, por tanto, por problemas de inducción capacitiva o inductiva. Además, mantiene las ventajas ge nerales de las expansiones F./S distri buidas: — Ahorro de cableado, al contener un solo cable de fibra óptica hasta centenares de señales. - Facilidad de conexión, al sustituir los horneros de cables por los conectores incorporados en la fibra. En la conexión por fibra óptica suele disponerse de cables prefabricados, de conexión directa entre los módulos procesadores de enlace, para su uso en distancias cortas (decenas de metros). Para mayores distancias, pueden utili zarse bobinas de libra óptica estándar y reulizar los empalmes en la instala ción. o encargar el cable que se ne cesita al fabricante o distribuidor del autómata. En la figura 6.26 se muestra un ejem plo de configuración estrella-bus de en tradas/salidas distribuidas enlazadas por fibra óptica, correspondiente al au tómata Izumi FA-3S. Como se observa, la conexión de la fibra se realiza sobre dos canales, de emisión (T X ) y recep ción (R X ). El autómata base tiene dos proce sadores maestros, para implementar la estructura estrella, mientras que los procesadores esclavos tienen doble co nexión, para recepción y rcemisión en la conexión del bus. Frente a las soluciones anteriores, de conexión de E/S remotas utilizando buses y protocolos (y, por tanto, pro cesadores de enlace) específicos, algu nos fabricantes han optado por el de sarrollo de productos coneclables ;i
C P U , que ahora se encuentran en lazadas utilizando procesadores de enlace en red.
Expansió n E / S
E l estudio de los buses de campo, y de las configuraciones resultantes, se abordará en la tercera parte de esta obra, dedicada a las redes de autó matas.
6.6. M E M O R IA S D E M A SA
A
U n id ad b ase
CPU
Pro cesad o res de e n la ce E /S
/
0:
= Q X:L
O
O* Expansió n E/5
E s p o n s ió n E /S
0.
0 B a s tid o r de ex p a n sió n E / 5
Figura 6.24. Expansiones de E/S con estructura de estrella. aquellos buses de campo que se van perfilando como estándares (PR O FIB lIS , M O D B U S , etc.), de tbrma que se hallan inmersos en la misma red desde las unidades de entradas/salidas hasta otros autómatas, pasando por actua dores y sistemas de todo tipo. E l empleo de estos buses estándar presenta algunas ventajas con relación a las soluciones particulares de fabri cante: — Son sistemas abiertos, que per miten la conexión de otros equi pos (actuadores, sensores, válvu
las, etc.), y no sólo de las entra das/salidas distribuidas. En otras palabras, no son ne cesarios dos buses, uno para au tomatismos y el otro para entra das/salidas: si ya existe un bus de campo, puede utilizarse para la co nexión de E/S distribuidas. — Permite mayores velocidades de transmisión (hasta 2 Mbit/s) y, por tanto, menores tiempos de res puesta (menores de I ms). - Pueden obtenerse mayores distan cias de interconexión (kilómetros) entre las entradas/salidas y la
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Los autómatas almacenan en su me moria de trabajo todos los datos que necesitan para la ejecución de su tarea de mando o control: variables, pará metros e instrucciones. Sin embargo, se están abriendo para estas máquinas nuevos campos de ac tuación en aplicaciones de gestión de datos de producción, hasta ahora re servados a sistemas informáticos de mi niordenador: — archivo de valores medios, comprobaciones de calidad, — estadísticas, — obtención de tendencias, — visualización de textos, etc. Estas aplicaciones necesitan manejar grandes volúmenes de información, que llegan a saturar las memorias de trabajo disponibles. Para estos casos, que se plantean na turalmente sólo con autómatas de ga mas altas, están disponibles módulos adicionales de memoria de alia capaci dad y funcionamiento autónomo, que poseen su propio sistema controlador encargado de la gestión de la infor mación contenida, y de la comunica ción con elementos exteriores. C P U o unidad de programación. Bajo control del programa de usuario en la C P U principal, estos módulos pueden intercambiar grandes volúme nes de datos con la memoria de tra bajo, comportándose entonces como memoria secundaria o de masa del sis tema. La memoria de masa se diferencia de las expansiones o memorias externas en que éstas están conectadas direc tamente a la C P U a través del bus in terno, mientras que aquélla necesita de un sistema controlador de gestión de transferencias, que puede estar incluido
C O N FIG U RA C IÓ N D IL AUTÓMATA
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control ?> •> 6.29. Memoria de masa inteligente en ■duro de 20 Mbytes. CP 551 de Siemens.
t- de programación de alto nivel C y \SIC , el usuario puede programar - .aumente sobre la unidad, conec to una pantalla y un teclado, sus as aplicaciones de gestión de da•: - que se ejecutarán de forma efiwc-’ ie y en paralelo con el trabajo de . C PU del autómata. \ntes de su uso, los discos necesitan -- formateados, operación que puede izarse desde la unidad de progra- .ion. que también tiene acceso al pm. i para lectura/escritura de datos. - vez conectados al autómata, es la na C P U la que se encarga del con de lectura/escritura, a través de -jes o comandos funcionales ino -.-orados al lenguaje de programaque el usuario puede incluir en _• programas y que operan de forma i.mente transparente: todas las ope. mes de transferencia y comproba. - de datos son automáticas. Las cimas magnetofónicas, o casetes ■ :nilit), constituyen un medio sencillo ■ nato de almacenamiento de datos. . su lentitud las hace inoperantes • n o memorias de masa conectadas a . C PU . Por ello, su aplicación fun’iental es el almacenamiento y sal■ .jarda de programas, que pueden ser t
grabados y recuperados desde algunas unidades de programación. Para este fin, la unidad dispone de entradas/sa lidas M IC / E A R para conexión directa con la entrada de micrófono de cual quier reproductor comercial de cintas de audio. Dadas sus pobres prestaciones, in cluso esta aplicación está hoy desapa reciendo en favor del almacenamiento en disco, al que accede la unidad de programación bien directamente si se trata de un ordenador personal, o por conexión al puerto serie de éste si se trata de una miniconsola portátil. Los discos ópticos rcpmgranuihles o ntagnetoópticos son soportes magnéti cos de información con lectura/escri tura mediante rayo láser. El soporte en sí mismo presenta como ventajas características su facili dad de fabricación y la elevada capa cidad de almacenamiento, pero los cir cuitos electroóplicos de interfaz resul tan complejos y caros, y los tiempos de recuperación de información son ma yores que en los discos duros. La grabación y borrado del disco se realiza modificando la orientación de los dominios magnéticos de su super ficie mediante el aporte de energía tér mica de un haz láser, y la aplicación de un campo magnético exterior. Las celdas con los dominios reorien tados sufren una variación de su reflectividad. modificando el ángulo de polarización de un haz reflejado (ro tación de Kerr). Si se dirige de nuevo el haz láser a la superficie, con una in tensidad menor, la desviación o no del haz reflejado, leída mediante un (litro
Tabla
6.6.
de polarización en la cabeza de lectura, dará una indicación de la información grabada. La tabla 6.6 muestra un cuadro com parativo de los diferentes soportes de almacenamiento de masa disponibles en autómatas, atendiendo a su capa cidad. tiempo de acceso, velocidad de transferencia y precio relativo. Debe destacarse que el tiempo de acceso in dicado se refiere únicamente al posicionamíento de la interfaz de lectu ra/escritura. sin contar los tiempos de sincronización entre el procesador de memoria y la C PU , por lo que el tiem po total implicado puede ser signifi cativamente mayor. A la vista de las características com paradas se justifica por qué las me morias de masa utilizadas con autó matas programables se limitan hoy prácticamente a los discos magnéticos y a los módulos de memoria de se miconductor. quedando el resto de ele mentos de masa, y especialmente los discos ópticos, como sistemas secun darios a los que el autómata tiene ac ceso indirecto por su conexión con un ordenador o red local.
6.7. R E S U M E N Lo s autóm atas program ables se adaptan a muy variadas aplicaciones in dustriales mediante la configuración de su sistema físico («hardware»), espe cialmente en lo referente a la unidad de control y al sistema de entra das/salidas. La unidad de control, encargada de
Memorias de masa disponibles para autómatas. Cuadro comparativo. ■
1
Capacidad
Tiempo de acceso
Velocidad de transferencia
Precio
128 K
5 ms
768 K/s
B A JO
256 K
10 ms
1 K/s
A L IO
40 Mbytes
15 ms
625 K/s
B A JO
D IS C O F L E X I B L E
1 Mbytes
30 ms
250 K/s
B A JO
C IN T A D E A U D IO
320 K
minutos
1 bytc/s
M U Y B A JO
600 Mbyte
60 ms
512 K/s
A LT O
TECNOLOGÍA S E M I C O N D U C TO RES M E M O R IA D E B U R B U JA S D IS C O D U R O
D IS C O O P T IC O
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ejecutar las instrucciones de usuario y de ordenar las transferencias de infor mación en el sistema de entradas/sa lidas, puede adoptar múltiples confi guraciones, según fabricantes y mo delos. Así, para aplicaciones de baja complejidad existen autómatas con una única C P U . en los que una sola tarjeta o módulo procesador se encarga de gestionar todo el programa y las entra das/salidas asociadas: son los micro y mimautómutas. Para aplicaciones de superior com plejidad la unidad de control pasa a ser múltiple, en estructura de multfprocesadares, varias unidades centrales o procesadores auxiliares trabajando en paralelo sobre subprogramas que en conjunto constituyen el programa de usuario, o de procesadores periféricos. cuando los procesadores auxiliares co nectados son específicos para alguna aplicación concreta (posicionamienlo, regulación, etc.), e incluyen su propio programa de tratamiento. Si existe redundancia en la C P U y en lodos o alguno del resto de ele mentos del autómata, se dice que éste tiene un configuración de seguridad, ca pa? de funcionar ininterrumpidamen
te. aun en caso de avería, por conmuta ción de la unidad defectuosa a la de re serva, til sistema de entradas/salidas del au tómata está formado por el conjunto de interfaces E/S que permiten la cone xión de la C P U con la planta, y la identificación de las señales de la misma mediante una tabla de direc ciones. En general, todos los autómatas per miten la ampliación de su sistema de entradas/salidas. Esta ampliación con siste en la conexión a la C P U de in terfaces E/S adicionales, contenidas en las unidades o módulos de expansión. Si las interfaces E/S conectadas a la C P U están en las cercanías de ésta, y la conexión al bus interno es directa, o, a lo sumo, pasa a través de un am plificador de bus si se emplea un bas tidor de ampliación, se dice que las en tradas/salidas son centralizadas, mien tras que si se necesitan procesadores de enlace E/S, encargados de amplificar, serializar y transmitir las informaciones por una linea común entre las expan siones y la C P U del autómata base, el sistema de entradas/salidas se deno mina distribuido, local o remota en fun
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ción de las distancias de conexión y de las prestaciones del enlace. Por último, en lo que respecta a la capacidad de almacenamiento, y aun que los autómatas disponen de me moria suficiente para ejecutar el mando y control de procesos, en aplicaciones que necesiten de gran volumen de in formación (típicamente, gestión ríe da tos) puede ser necesario proveer al sis tema de una memoria de masa adicio nal. que esporádicamente, y bajo con trol de la C P U , puede volcar, leer o in tercambiar dalos (programas, paráme tros, textos, etc.) con la memoria de trabajo. Estas memorias de masa, que se construyen normalmente sobre soporte semiconductor o magnético de disco duro, pueden conectarse directamente a las unidades de programación para edición de los datos contenidos, en ocasiones incluso en tiempo real. En definitiva, y como conclusión fi nal, siempre puede encontrarse un mo delo o gama de autómatas que satisfaga los requerimientos de potencia de cál culo y capacidad de direccionamiento fijados para prácticamente cualquier aplicación.
7. SENSORES Y ACTUADORES 'I
IN T R O D U C C IO N
Tal como se ha dicho en el capitulo la cadena de realimentación resulta ^prescindible en muchos aulomatisi >s industriales para poder realizar un ntrol en lazo cerrado, con las co- cidas ventajas en cuanto a cancela n de errores y posibilidades de re . .. ación precisa y rápida. A su vez, di cha cadena de realimentación requiere unos elementos de captación de ias - gniludes de planta, a los que 11a-jtrtos genéricamente sensores o transi núes y unos circuitos adaptadores •nados circuitos de interfaz, Por otro lado, es evidente la nece"dad de unos accionamientos o ele mentos que actúan sobre la parte de r tcncia de la planta. La potencia necesuria para actuar sobre los acciona mientos puede ser considerable y, a ve no puede ser suministrada direc tamente por el sistema de control. En i es casos, se requieren unos elemeni' intermedios encargados de inter pretar las señales de control y actuar ■'bre la parte de potencia propiamente tl.cha. Dichos elementos se denominan i abitualm ente preaccionam ientos y ..implen una función de amplificado•e%. ya sea para señales analógicas o ira señales digitales. En el presente capítulo nos centra remos en el estudio de los sensores y p-eaccionamientos ligados a sistemas Je control de tipo eléctrico o electró nico, básicamente autómatas progra mables. En definitiva, nos ocuparemos básicamente de aquellos sensores cuya salida es una señal eléctrica o electro magnética y de los preaccionamientos gobernados por señales eléctricas. También es habitual que los sensoes requieran una adaptación de la se ñal eléctrica que suministran para que sean conectables a un determinado sisrema de control. Esta función la rea,/.an los bloques de interfaz, que pue den ser totalmente independientes del censor o estar parcialmente incluidos en él. En cualquier caso, en la des cripción que vamos a dar aquí, preten
demos aclarar esencialmente el prin cipio de funcionamiento del captador propiamente dicho e incluiremos úni camente la parte de interfaz que in corporen habitualmente los sensores disponibles comercialmente. Los cir cuitos de interfaz estándar se estudia rán con mayor detalle en el capitulo 8.
desplazamiento de una aguja indica dora. Sin embargo, el término transductor suele asociarse bastante a dispositivos cuya salida es alguna magnitud eléc trica o magnética y. por otro lado, nos interesan aquí sólo este tipo de trans ductores. en la medida que son ele mentos conectables a autómatas pro gram ares a través de las interfaces adecuadas. Limitándonos, pues, a los transduc tores basados fenómenos eléctricos o magnéticos, éstos suelen tener una es tructura general como la que muestra la figura 7.1, en la cual podemos dis tinguir las siguientes partes:
7.2. S E N S O R E S : C LA S IFIC A C IÓ N Los términos «sensor» y «transduc tor» se suelen aceptar como sinónimos, aunque, si hubiera que hacer alguna distinción, el término transductor es quizás más amplio, incluyendo una parte sensible o «captador» propiamen te dicho y algún tipo de circuito de acondicionamiento de la señal detec tada. Si nos centramos en el estudio de los transductores cuya salida es una se ñal eléctrica, podemos dar la siguiente definición:
— Elemento sensor o captador. Con vierte las variaciones de una mag nitud risica en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética, que denom inarem os habitual mente señal. — bloque de tratamiento de señal. Si existe, suele filtrar, amplificar, l¡nealizar y, en general, modificar la señal obtenida en el captador, por regla general utilizando circuitos electrónicos. — Etapa de salida. Esta etapa com prende los amplificadores, inte rruptores, conversores de código, transmisores y» en general, todas aquellas partes que adaptan la se ñal a las necesidades de la carga exterior.
«Un transductor es un dispositivo ca paz de convertir el valor de una magnitud física en una señal eléctrica codificada, va sea en forma analógica o digital».
No todos los transductores tienen por qué dar una salida en forma de se ñal eléctrica. Como ejemplo puede va ler el caso de un termómetro basado en la diferencia de dilatación de una lámina bimetálica, donde la tempera tura se convierte directamente en un
Figura y. i. Estructura genérica de un transductor.
C a p ta c ió n
T rata m ien to de s e ñ a l
A lim en tación
\
Fenóm eno
S o lid a
f ísi co F iltro
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bros.me
Am plificador
Podemos dar varias clasificaciones de los transductores de tipo eléctrico o magnético, atendiendo a diversos pun tos de vista que vamos a repasar a con tinuación. C LA S IFIC A C IO N E S S E O ! A E L U PO 1)1 S L Ñ A I. D E SA LID A Atendiendo a la lórnia de codificar la magnitud medida podemos estable cer una clasificación en:
- Analógicos. Aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variable en forma con tinua dentro del campo de me dida. lis frecuente para este tipo de transduetores que incluyan una etapa de salida para suministrar señales normalizadas de 0-10 V o 4-20 mA. - Digitales. Son aquellos que dan como salida una señal codificada en forma de pulsos o en forma de una palabra digital codificada en binario. B C D u otro sistema cual quiera. - Todo-nada. Indican únicamente cuándo la variable detectada re basa un cierto umbral o límite. Pueden considerarse com o un caso límite de los sensores digi tales en el que se codifican sólo dos estados. Otro criterio de clasificación, relacio nado con la señal de salida, es el hecho de que el captador propiamente dicho requiera o no una alimentación externa para su funcionamiento. En el primer caso se denominan sensores pasivos y en el segundo caso activos o directos. Los sensores pasivos se basan, por lo general, en la modificación de la ¡mpedancia eléctrica o magnética de un material bajo determinadas condicio nes físicas o químicas (resistencia, ca pacidad, ¡nductancia. reluctancia, etc.) Este tipo de sensores, debidamente ali mentados, provoca cambios de tensión o de corriente en un circuito, los cuales son recogidos por el circuito de Inter faz. Los sensores activos son, en realidad, generadores eléctricos, generalmente de pequeña señal. Por ello no necesitan alimentación exterior para funcionar, aunque si suelen necesitarla para am plificar la débil señal del captador.
Tabla 1.1. Transduetores de diversas magnitudes físicas. M A G N IT U D 1)1 II CTADA
TRANSDIICTO R
CARACTERISTIC AS
Posición lineal o angular
Polencióm eim
Analógico
1 neode rs
Digital
Sincro y resolver
Analógicos
Transformador diferencial
Analógico
Galga cxtcnsomélrica
Analógico
Dinamo luconiélñca
Analógico
P.neodcrs
Digital
Detector inductivo
Digitales
Pequeños desplazamientos o deformaciones
Velocidad lineal o angular
u óptico Aceleración
Acelerometro
Analógico
Sensor de velocidad
Digital
+ calculador Fuerza y par
Medición indirecta (galgas o i ralos
Analógicos
diferenciales) Presión
Membrana + detector
Analógicos
de desplazamiento
Caudal
Temperatura
Sensores de presencia o
Pic/.ocléct ricos
Analógicos
De turbina
Analógico
Magnético
Analógico
Tcrm opar
Analógico
Resistencias PTIOO
Analógico
Resistencias N T C
Analógico
Resistencia PT C
Todo-nada
Bimetálicos
Todo-nada
Inductivos
Todo-nada 0 analógicos
Capacitivos
Todo-nada
Ópticos
Todo-nada o analógicos
Ultrasónicos
Analógicos
Malriz de contactos
Todo-nada
Matriz capacitiva
Todo-nada
proximidad
Sensores táctiles
pic/oeléctrica u óptica Piel artificial Sistemas de visión artificial
Analógico
Cámaras de video y
Procesamiento
tratamiento imagen
digital por puntos o pixels
Cámaras CC'D
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H S Ih lC A C IÓ N SEG Ú N LA M AG NITUD f ís ic a a d e t e c t a r . En cuanto a la naturaleza de la mag".tud física a delectar, existe una gran ■iriedad de sensores en la industria. F.n tabla 7.1 se da un resumen de los mas frecuentes utilizados en los auto matismos industriales. Obsérvese que ;n la co lu m n a encabezada com o T R A N S D U C T O R » aparece a veces el nombre del elemento captador de d¡.hn transductor, sobre todo en casos de medición indirecta. Asi, por ejemplo, ara fuerza y par se utilizan captadores deformación unidos a piezas me cánicas elásticas. En general, los principios tísicos en os que suelen estar basados los ele mentos sensores son los siguientes:
— cambios de resistividad. — electrom agnetism o (inducción electromagnética), — piezoelectricidad. — efecto fotovollaico, — tcrmoclectricidad.
-.3. C A R A C T ER IST IC A S G EN ERA LES DE LO S SEN SO R ES El comportamiento de un sistema en lazo cerrado depende muy directamen te de los transductores e interfaces em pleados en el lazo de realimentación. Es más, tal como se ha visto en el ca pitulo 3, la relación salida/entrada en régimen permanente depende casi ex clusivamente del bucle de realimenta ción. Así pues, dejando a un lado las características constructivas particulares de cada transductor o de cada sistema Je medida previsto como lazo de rea limentación, es importante conocer di versos aspectos genéricos de su com portamiento a fin de prever o corregir la actuación tanto estática como diná mica del lazo de control. Un transductor ideal seria aquel en que la relación entre la magnitud de salida y la variable de entrada fuese pu ramente proporcional y de respuesta instantánea e idéntica para todos los elementos de un mismo tipo. Sin em bargo. la respuesta real de los trans ductores nunca es del todo lineal, tiene un campo limitado de validez, suele es tar afectada por perturbaciones del en torno exterior y tiene un cierto retardo
a la respuesta. Todo ello hace que la relación salida/entrada deba expresarse por una curva, o mejor por una familia de curvas, para transduclores de un mismo tipo y modelo. Para definir el comportamiento real de los transductores se suelen com parar éstos con un modelo ideal de comportamiento o con un transductor «patrón» y se definen una serie de ca racterísticas que ponen de manifiesto las desviaciones respecto a dicho mo delo. Dichas características pueden agruparse en dos grandes bloques: — Características estáticas, que des criben la actuación del sensor en régimen permanente o con cam bios muy lentos de la variable a medir. — Características dinámicas, que des criben la actuación del sensor en régimen transitorio, a base de dar su respuesln temporal ante deter minados estímulos estándar o a base de identificar el comporta miento del transductor con siste mas estándar, como los estudia dos en el capítulo 3, e indicar las constantes de tiempo relevantes. A continuación se dan las definicio nes de las características estáticas y di námicas más relevantes que suelen aparecer en la mayoría de especifica ciones técnicas de los transductores. Debe tenerse en cuenta que todas las características suelen variar con las con diciones ambientales. Por ello, uno de los parámetros esenciales a comprobar al elegir un transductor es el campo de validez de los parámetros que se in dican como nominales del mismo y las máximas desviaciones provocadas por dichas condiciones ambientales. 7.3.1. Características estáticas CAM PO D E M ED ID A . El campo de medida, es el rango de valores de la magnitud de entrada com prendido entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, con una to lerancia de error aceptable. RESO LU C IÓ N . Indica la capacidad del sensor para discernir entre valores muy próximos de la variable de entrada. Se mide por
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la mínima diferencia entre dos valores próximos que el sensor es capaz de dis tinguir. Se puede indicar en términos de valor absoluto de la variable física medida o en porcentaje respecto al fon do de escala de la salida. PR EC ISIÓ N . La precisión define la máxima des viación cnLrc la salida real obtenida de un sensor en determinadas condiciones de entorno y el valor teórico de dicha salida que correspondería, en idénticas condiciones, según el modelo ideal es pecificado como patrón. Se suele in dicar en valor absoluto de la variable de entrada o en porcentaje sobre el fon do de escala de la salida. R E P E T I B IL I DA D. Característica que indica la máxima desviación entre valores de salida ob tenidos al medir varias veces un mismo valor de entrada, con el mismo sensor y en idénticas condiciones ambientales. Se suele expresar en porcentaje refe rido al fondo de escala y da una in dicación del error aleatorio del sensor. Algunas veces se suministran datos de repetibilidad variando ciertas condicio nes ambientales, lo cual permite ob tener las derivas ante dichos cambios U N E A L ID A D . Se dice que un transductor es lineal, si existe una constante de proporcio nalidad única que relaciona los incre mentos de señal de salida con los co rrespondientes incrementos de señal de entrada, en todo el campo de medida. La no linealidad se mide por la má xima desviación entre la respuesta real y la característica puramente lineal, re ferida al fondo de escala. S E N S IB IL ID A D . Característica que indica la mayor o menor variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada. U n sensor es tanto más sensible cuanto mayor sea la variación de la salida producida por una determinada variación de entrada. La sensibilidad se mide, pues, por la relación:
Sensibilidad = A magnitud de salida A magnitud de entrada
Obsérvese que para transductores li neales esta relación es constante en todo el campo de medida, mientras que en un transductor de respuesta no li neal depende del punto en que se mida. RUID O . Se entiende por ruido cualquier per turbación aleatoria del propio trans ductor o del sistema de medida, que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico. H IS T É R E S IS . Se dice que un transductor presenta histéresis cuando, a igualdad de la mag nitud de entrada, la salida depende de si dicha entrada se alcanzó con au mentos en sentido creciente o en sen tido decreciente. Se suele medir en tér minos de valor absoluto de la variable ITsica o en porcentaje sobre el fondo de escala. Obsérvese que la histéresis pue de no ser constante en todo el campo de medida. En el caso de sensores todo-nada se denomina histéresis a la diferencia en tre el valor de entrada que provoca el basculamiento de 0 — 1 y aquel que provoca el basculamiento inverso de 1 — 0. Obsérvese la clara diferencia entre los términos resolución, precisión, repetibilidad y sensibilidad, términos que suelen confundirse muchas veces, incluso en al guna bibliografía.
7.3.2. Características dinámicas La mayor parte de transductores tie nen un comportamiento dinámico que se puede asimilar a un sistema de pri mer o segundo orden, es decir, con una o, como máximo, dos constantes de tiempo dominantes (véase el concepto de constante de tiempo en el capítulo 3). Los principales parámetros que ca racterizan el comportamiento dinámico de un transductor serán, pues, los que se definieron para estos tipos de sis temas. Sólo cabe destacar que los trans ductores que responden a modelos de segundo orden suelen ser sistemas sobreamortiguados. es decir, sistemas en los que no hay rebasamiento en la res puesta al escalón. A continuación da mos un resumen de las características dinámicas más importantes:
V ELO C ID A D D E R ESPU EST A . La velocidad de respuesta mide la capacidad de un transductor para que la señal de salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada. La forma de cuantificar este parámetro es a base de una o más constantes de tiempo, que suelen obtenerse de la res puesta al escalón. Los parámetros más relevantes empleados en la definición de la velocidad de respuesta son los si guientes: Tiempo de retardo. Es el tiempo transcurrido desde la aplicación del escalón de entrada hasta que la salida alcanza el 10% de su valor permanente. Tiempo de subida. Es el tiempo transcurrido desde que la salida alcanza el 10% de su valor per manente hasta que llega por primera vez al 90% de dicho valor. Tiempo de establecimiento a l W % , Es el tiempo transcurrido desde la aplicación de un escalón de entrada hasta que la respuesta alcanza el régi men permanente, con una tolerancia de ± 1%. Constante de tiempo. Para un transductor con respuesta de primer orden (una sola constante de tiempo dominante) se puede determi nar la constante de tiempo a base de medir el tiempo empleado para que la salida alcance el 63% de su valor de ré gimen permanente, cuando a la entrada se le aplica un cambio en escalón. R ESPU EST A E R E C U E S C !A L. Relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una ex citación senoidal. Se suele indicar grá ficamente mediante un gráfico de Bode. Tal como se vio en el capítulo 3, la res puesta frecuencial está muy directa mente relacionada con la velocidad de respuesta. E S T A B IL ID A D Y D ER IV A S. Características que indican la desvia ción de salida del sensor al variar cier tos parámetros exteriores distintos del que se pretende medir, tales como con diciones ambientales, alimentación, u otras perturbaciones.
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7.4. TRANSDIJCTORES DE POSICIÓN: CONCEPTOS GENERALES Los transductores de posición per miten medir la distancia de un objeto respecto a un punto o eje de referencia o simplemente detectar la presencia de un objeto a una cierta distancia. Pre cisamente, su capacidad de medida o sólo indicación de presencia y la ca pacidad de medir distancias más o me nos grandes permite establecer una di visión en los grupos que se citan a con tinuación: — Detectores de presencia o proximi dad. Se trata de sensores de po sición todo o nada que entregan una señal binaria que informa de la existencia o no de un objeto ante el detector. E l más elemental de estos sensores es quizás el co nocido interruptor final de carrera por contacto mecánico. — Medidores de distancia o posición. Entregan una señal analógica o di gital que permite determinar la posición lineal o angular respecto a un punto o eje de referencia. — Transductores de pequeñas defor maciones. Se trata de sensores de posición especialmente diseñados para detectar pequeñas deforma ciones o movimientos. Muchas veces se emplean adosados a pie zas elásticas o con palpadores como transductores indirectos de fuerza o de par.
7.5. DETECTORES DE PROXIMIDAD 7.5.1. Conceptos generales Los detectores de proximidad pue den estar basados en distintos tipos de captadores, siendo los más frecuentes los siguientes: — Detectores inductivos. — Detectores capacitivos. Detectores ópticos. — Detectores ultrasónicos. Por lo general, se trata de sensores con respuesta todo o nada, con una cierta histéresis en la distancia de de-
■cura 7.2. Formas de conexión de detectores proximidad.
.
lección y con salida a base de intermptor estático (transistor, tiristor o !'iac), pudiendo actuar como interrup: ves de C C o de C A. Pero, algunos de ellos pueden llegar a dar una salida analógica proporcional a la distancia. En tal caso, los estudiaremos como ver daderos medidores de posición. Atendiendo al tipo de alimentación 'C C o C A ), al tipo de salida y a la for ma de conexión podemos clasificar los detectores de proximidad en diferentes grupos (figura 7.2) C LA S IFIC A C IÓ N SE G Ú N E L TIFO D E <4L ID A. — Detectores todo-nada de CA. Se trata de detectores cuya salida es un interruptor estático de C A a base de tiristores o triacs. Por lo general, no pueden utilizarse más que para C A, ya que para C C una vez cebados no desenganchan. — Detectores todo-nada de CC. Se trata de detectores cuya salida suele ser un transistor P N P o N PN . Precisamente el tipo de transistor determina la forma de conexión de la carga. — Detectores Ñamar. Detectores de tipo inductivo, previstos para fun cionamiento en atmósferas explo
sivas, según recom endaciones N A M U R (D IN 19.234). Son deteciores de dos hilos que absor ben una intensidad alia o baja de pendiendo de la presencia o no del objeto delectado. La actuación puede considerarse todo o nada con una histéresis. igual que los tipos mencionados anteriormente. En general, se usan como capta dor en atmósferas explosivas y la señal que generan se conecta a un amplificador externo con relé de salida. — Deteriores con salida analógica. Los detectores con salida analó gica dan una corriente proporcio nal a la distancia entre el cabezal detector y el objeto a detectar. La conexión suele ser a dos hilos y permite detectar un rango de dis tancias limitado. Los de tipo in ductivo y capacitivo tienen una linealidad y una resolución bastan te pobres, que hace que no pue dan emplearse como verdaderos medidores de distancia. Única mente los de tipo óptico y ultra sónico pueden detectar distancias considerables con una resolución aceptable. C LA S IFIC A C IÓ N S E G Ú N E L TIPO DF. C O N EXIÓ N .
— Conexión a dos hilos. El sensor se conecta en serie con la carga, como si se tratara de un interrup tor electromecánico. Esta cone xión es habitual para ios detec tores de C A. Los sensores NAM U R siguen también una cone xión de dos hilos, aunque como se ha dicho no son propiamente interruptores, sino que precisan de un circuito auxiliar externo. — Conexión a tres hilos. Ésta es la más frecuente para los detectores de C C con salida por transistor. Se tiene un hilo común para alimen tación y carga y los otros dos son diferenciados uno para la alimen tación y otro para la carga. E l hilo común debe conectarse al termi nal negativo de la alimentación para transistores P N P y al termi nal positivo para los de tipo N PN . — Conexión a cuatro o cinco hilos. Se suelen emplear para detectores de
CC. Emplean dos hilos para la ali mentación. y otros dos (o tres, en montaje conmutado) correspon den al contacto de salida para con trol de la carga. C A R A C T ER ÍST IC A S D E SA LID A . Como se ha dicho, los detectores de proximidad suelen tener salida estática a base de tiristores o transistores. F.ste tipo de conmutadores presentan siem pre una caída de tensión residual en el estado cerrado y una corriente de fugas en el estado abierto. Esto implica que no pueden trabajar por debajo de una cierta tensión de alimentación y que requieren una mínima corriente de car ga para asegurar una buena conmuta ción. Desde el punto de vista de su aptitud para ser usados como elementos de mando en los autómatas, una excesiva corriente de fugas puede ocasionar pro blemas de interpretación de nivel alto de entrada cuando en realidad el in terruptor está desactivado. Por ello, los detectores con excesiva corriente de fu gas no son aptos para accionar las en tradas de los autómatas.
7.5.2. Detectores inductivos Este tipo de detectores sirven para detectar la proximidad de piezas me tálicas en un rango de distancias que va desde l mm a unos 30 mm, con una posible resolución del orden de déci mas de milímetro. La ejecución me cánica y eléctrica está normalizada a nivel europeo por C E N E L F .C (normas E N 50.032, E N 50.036, E N 50.037. E N 50.038) M ecánicam ente las m encionadas normas definen varios tipos (figura 7.3): — Forma A cilindrica roscada con diámetros normalizados de M8. M l2, M l8 y M30. Existen, ade más, otros tipos sin rosca con ta maños de diámetro de 4 y 5 mm. A su vez, todos ellos pueden ser de tipo enrasable o no enrasable, dependiendo de si se puede o no enrasar el cabezal detector en me tal. - Forma C de paralelepípedo con cabezal orientable. Generalmente son utilizados para distancias gran des.
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AUTÓMATAS
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Figura 7.6. Detectores ópticos con salida analógica. con violencia (bocas de aire acondiciona do, cercanías de puertas, etc.), o en me dios de elevada contaminación acústica (prensas, choques entre metales, etc.). Por lo demás, y en cuanto a carac terísticas de funcionamiento, estos de tectores son semejantes a las células fotoeléctricas. 7.5.6. Criterios de selección Vistos los principios de medida, el alcance, la resolución y otras caracte rísticas de los diferentes tipos de de tectores de proximidad, pueden esta blecerse los criterios indicados en la ta bla 7.2 como guía para la elección de uno u otro tipo de detector.
de desplazamiento relativo previstos para medición indirecta de distancias, y decimos medición indirecta por cuan to en realidad no permiten determinar la distancia entre objetos estáticos, sino únicamente la posición relativa de ob jetos a partir de un origen de despla zamiento. Su característica esencial es que permiten medir grandes distancias con una excelente resolución y se usan, sobre todo, en el campo de la robótica y la máquina-herramienta Podemos distinguir dos tipos: absolnlos e incre mentóles. Los primeros dan en lodo momento una indicación de la posición respecto
M A T E R IA L
Los indicadores de posición lineal o angular para grandes distancias, conocidos también como sistemas de medición de coordenadas. — Los detectores de pequeñas de formaciones o detectores de pre sencia de objetos a una cierta dis tancia que dan una señal analó gica o digital proporcional a dicha distancia.
M E T Á L IC O
El potenciómetro es un transductor de posición angular, de tipo absoluto y con salida de tipo analógico. Consiste en una resistencia de hilo bobinado o en una pista de material conductor, dis tribuida a lo largo de un soporte en for-
D IS T A N C IA
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TRA N SPAREN TE
Los medidores de coordenados se uti lizan, por lo general, para determinar la posición relativa de partes móviles de una máquina. Se trata de transductores
7.6.1. Potenciómetros
Tabla 7.2. Criterios de selección de detectores de proximidad.
7.6. M E D ID O R E S D E P O S IC IÓ N O D IST A N C IA Dentro de los transductores de po sición podemos distinguir dos grandes grupos:
a un origen, incluso en caso de perdida de alimentación. Los increméntales, en cambio, detectan desplazamientos y obtienen la posición final a base de acumular dichos desplazamientos res pecto a un origen. En consecuencia, cuando estos últimos pierden la ali mentación pueden perder la referencia al origen. La mayoría de medidores de coor denadas están basados en detectores de desplazamiento angular, pero mecáni camente resulta fácil la conversión de movimiento lineal en angular y vice versa, basándose en husillos o meca nismos de piñón y cremallera. Por tan to, no haremos distinción entre detec tores de posición angular o lineal. El segundo grupo de detectores que hemos mencionado, es decir, los de tectores de pequeñas distancias, permi ten determinar la distancia entre un ob jeto estático o en movimiento respecto al cabezal del sensor.
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7.6.2. Encoders r
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x t e r m in a l e s
E LÉC T RIC O S
Figura
7. 7,
Potenciómetro.
ma de arco y un cursor solidario a un eje de salida, que puede deslizar sobre dicho conductor (figura 7.7). E l movi miento del eje arrastra el cursor pro vocando cambios de resistencia entre este y cualquiera de los extremos. Asi pues, cuando se alimenta entre los ex tremos de la resistencia con una ten dón constante, aparece entre la toma media y uno de los extremos una ten sión proporcional al ángulo girado a partir del origen. Existen también potenciómetros con tarrera lineal, pero lo más frecuente, .uando se usan como detectores de po sición, es emplear los rotativos con o sin topes y de una o más vueltas. En el caso de potenciómetros con topes, el ángulo comprendido entre los extre mos de la resistencia se denomina án gulo de giro eléctrico (a F) y suele ser algo menor que el ángulo de giro me cánico entre topes. Para los potenciómetros utilizados como sensores de posición interesa que la ley de variación de la resistencia en función del ángulo de giro sea lineal.
como muestra la figura 7.8, aunque existen potenciómetros con ley de va riación logarítmica u otras, que se uti lizan para otras aplicaciones. La tensión de salida depende dei ángulo girado respecto al origen y de la tensión de alimentación entre extremos. Esto pue de dar lugar a errores de medida en caso de que dicha tensión no fuese es trictamente constante, por lo que se prefiere muchas veces medir la relación E/E,,, en lugar de medir la tensión V. Este método de medida, denominado ratiométrico, tiene la ventaja de entre gar una salida independiente del valor de la tensión de alimentación y depen diente únicamente del ángulo girado por el cursor. E n cuanto a la respuesta dinámica, el potenciómetro es prácticamente un elem ento proporcional sin retardo. Únicamente cabría considerar el retar do debido a la ¡nductancia del bobi nado si los movimientos fuesen muy rápidos, pero la frecuencia de funcio namiento suele quedar limitada por ra zones mecánicas a unos 5 Hz.
Figura 7.8. Respuesta de un potenciómetro lineal.
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Los encoders son dispositivos for mados por un rotor con uno o varios grupos de bandas opacas y translúcidas alternadas y por una serie de capta dores ópticos alojados en el estator, que detectan la presencia o no de banda opaca frente a ellos. Existen dos tipos de encoders: los increméntales y los ab solutos. Los primeros dan un determinado número de impulsos por vuelta y re quieren un contador para determinar la posición a partir de un origen de re ferencia. Los absolutos, en cambio, dis ponen de varias bandas en el rotor or denadas según un código binario. Los captadores ópticos detectan, pues, un código digital completo, que es único para cada posición del rotor. A. E N C O D ER S IN C R E M E N T A L E S O R ELA T IV O S. Los encoders increméntales suelen tener una sola banda de marcas trans parentes y opacas repartidas a lo largo del disco rotórico y separadas por un paso (p), tal como muestra la figura 7.9. En el estator suelen disponer de dos pares de emisor-receptor óptico (salida de dos canales) decalados un número entero de pasos más 1/4. Al girar el rotor, cada par óptico genera una señal cuadrada. E l decalaje de 1/4 de división de los captadores hace que las señales cuadradas de salida tengan entre sí un desfase de 1/4 de período cuando el rotor gira en un sentido, y 3/4 de pe riodo cuando gira en sentido contrario, lo cual se utiliza para discriminar el sentido de giro. Un simple sistema lógico permite de terminar desplazamientos a partir de un origen, a base de contar los im pulsos de un canal y determinar el sen tido de giro a partir del desfase entre las señales de los dos canales, según se muestra en la figura 7.10. Algunos encoders increméntales dis ponen de un canal adicional, que pro porciona un impulso por revolución. La lógica de control puede utilizar esta señal para implementar un contador de vueltas y otro para fracciones de vuelta. La resolución del encoder dependerá del número ( /V) de divisiones del rotor o. lo que es lo mismo, del número de
forma radial. El conjunto de informa ciones binarias obtenidas de los cap tadores es único para cada posición del rotor y representa en código Gray su posición absoluta. El tipo de código reflejado lleno la ventaja de que en cada cambio de sec tor sólo cambia el estado de una de las bandas, evitando así que puedan pro ducirse errores por falta de alineación de los captadores. Como ejemplo se indica la generación del código Gray de tres bits:
b)
Señales de salida
Figura 7.9. Encoder incrementa!. impulsos por revolución. La resolución expresada en grados vale: ., 360” Resolución = N
(7.1)
No debe confundirse la resolución angular del encoder con la posible re solución de un sistema de medida de coordenadas lineales, que dependerá además de la desmultiplicación mecá nica.
B. EN C O D ER S A BSO LU TO S. Los encoders absolutos disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, con zo nas opacas y transparentes dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores, con combinaciones de opacos y transparentes que siguen un código Gray o binario reflejado (figura 7.11). El estator dispone de un captador para cada corona del rotor, dispuestos en
Número
Código Gray
0 1 2 3 4 5 6 7
0 00 001 0 11 0 10 1 10 111 1 01 1 00
Obsérvese que a partir de los ejes de simetría se obtienen los bits corres pondientes por imagen especular de los bits subrayados. De ahí el nombre de código reflejado. Para un encoder con N bandas en el rotor, se tendrá un código de N bits, que permite 2A combinaciones. La re solución del encoder será, por tanto, la siguiente: Resolución = '
2'
(7 2)
Típicamente los encoders disponi bles van desde los 12 a los 16 bits con lo que se consiguen resoluciones entre 1/4096 y 1/65.536 de revolución (en grados, 0,0879° y 0,00054"). 7.6.3. Sincros y resolvere Un sincro es un transductor de po sición angular de tipo electromagnéti co, cuyo principio de funcionamiento puede resumirse diciendo que se trata de un transformador con uno de sus devanados rotativo. Existen diversos tipos de sincros, de pendiendo del número de devanados y de su disposición, pero las configura ciones más frecuentes son las que dis ponen de: ■■■■■■■■MI
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SKNSOftKl Y ACTUADO*!* _
El Iransductor consta de dos partes acopladas magnéticamente. Una de nominada escala, que es lija y está si tuada sobre el eje de desplazamiento. ( Ira. solapada a la anterior, es desli z inte y solidaria con la parte móvil <11gura 7.16). La parte fija tiene grabado un cir cuito impreso con pistas en forma de onda rectangular con un paso (p). La parte móvil tiene dos circuitos impre sos más pequeños, encarados con los de la escala, y desfasados entre si un número entero de pasos mas 1/4 de paso (principio análogo al visto para los encodcrs increméntales). Si se excita la parte lija con una señal . terna (5 kHz a 20 kHz) de valor V = = I sen oii, se recogerá en cada uno de los circuitos de la parte deslizante una tensión: v„ = k f sen mi eos (2r.x/p)
(7.11)
v,. = k V sen a l eos ((2rrx/p) + n/2\ (7.12) donde (.y) es el desplazamiento lineal y (p) es la distancia o paso de la onda grabada en la escala. La amplitud de la señal de salida varía entre un máximo y un mínimo, según que las escalas fija y móvil se encuentren enfrentadas o decaladas 1/2 paso. La medida se rea liza sumando el número de ciclos de señal de salida completos, más la va riación dentro de un ciclo. La indeter minación del sentido del movimiento se resuelve comparando la fase de los dos captadores, de forma parecida a lo que se indicó con los encoders.
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(D E C A I. A ÜO S
N p*W 4p)
Figura 7.16. Principio de funcionamiento del inductosyn.
interferómetro láser se basa en la su perposición de dos ondas de igual fre cuencia, una directa y otra reflejada. Si las ondas están en fase, la superposi ción es aditiva, y si están en contrafase, sustractiva. La onda resultante de la su perposición pasa por valores máximos y mínimos al variar la fase de la señal reflejada. Los sensores industriales basados en este principio generan un haz de luz que se divide en dos partes ortogonales mediante un separador (figura 7.17). Un
haz se aplica directamente sobre un es pejo plano lijo, mientras que el otro se refleja en el objelo cuya distancia se quiere determinar. Los dos haces se su perponen de nuevo en el separador, de forma que al desplazarse el objeto a detectar se generan máximos y míni mos de amplitud a cada múltiplo de la longitud de onda del haz. El despla zamiento, o diferencia relativa de po siciones, se determina contando dichas oscilaciones o franjas, obteniéndose una salida digital de elevada precisión,
Figura 7.17. Interferómetro láser. 5 ep o rad o r de haz R e fle c to r
Láser
/
y _____
E s p e jo p la n o -
7.6.5. Sensores láser Los sensores láser pueden utilizarse como detectores de distancias, utilizan do técnicas de reflexión y triangulación parecidas a las de otros detectores óp ticos, o permiten también la utilización como detectores de desplazamientos por análisis de interferencias en la emi sión-recepción de un mismo rayo (¡nlerferómetros láser). En este último caso la medición de distancias se hace contando crestas y valles en la inter ferencia y, por tanto, por un principio similar a un encoder ¡neremental. El principio de funcionamiento del
D ESLIG A N T E
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□
“ C o n ju n to fp to d e te c to r
V is u a liz o de
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V is u a liz
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C o n tad o r
de
Co m p utado r
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con ta d o r fla n c o s
con resoluciones del orden de la lon gitud de onda de la luz empicada (unos 50 //m en sensores industriales).
7.6.6. Sensores ultrasónicos Los sensores ultrasónicos emiten una señal de presión hacia el objeto cuya distancia se pretende medir, y miden el tiempo transcurrido entre la emisión del pulso hasta la recepción del eco re flejado en dicho objeto. El más cono cido de estos sistemas es quizás el «sonur-> que incorporan los submarinos > actualmente los sistemas de ecogralia o incluso en el medio natural la Corma de detectar obstáculos que emplean los murciélagos en la oscuridad. En el campo industrial se suelen em plear para controlar niveles de sólidos o áridos en silos, presencia de obs táculos en el campo de alcance de ro bots, etc. Las frecuencias de la pertur bación emitida están en el rango de 20 a 40 kllz.
7.6.7. Sensores magnetoestrictivos Los sensores magnetoestrictivos es tán basados también en la detección de eco de un impulso ultrasónico gene rado por la deformación elástica que se produce en algunos materiales bajo el efecto de un campo magnético. Consisten básicamente en una varilla de material magnético en la que se ge nera una perturbación ultrasónica me diante una bobina induclora. Sobre la varilla se coloca un imán móvil que puede deslizarse. El imán provoca un cambio de permeabilidad del medio y esto provoca una reflexión de la onda ultrasónica, pudiéndose delectar la dis tancia al imán por el tiempo en recibir el eco. En general, se excita con una señal cuadrada y se mide el desfase en tre ésta y el eco, tal como muestra la figura 7.18. F.ste tipo de transductores suelen ser muy robustos y muy aptos para ambientes agresivos, con distan cias de detección de hasta 1(1 metros.
mientos, deformaciones, rugosidad y planitud de superficies, etc. Se emplean también unidos solidariamente a sóli dos deformables, como transductores indirectos de esfuerzos (fuerza o par).
7.7.1. Transformadores diferenciales El transformador diferencial dispone de un primario y dos secundarios idén ticos acoplados magnéticamente al pri mero mediante un núcleo móvil. Dicho
Figura 7.19. Transformador diferencial lineal.
7.7. MEDIDORES DF. PEQUEÑOS DESPLAZAMIENTOS Y DEFORMACIONES Este tipo de sensores se utiliza para la detección de pequeños desplaza
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núcleo se hace solidario a un palpador o vastago, cuyo desplazamiento se va a medir, de tal forma que, en posición de reposo, el núcleo está colocado si métricamente respecto a ambos secun darios y. al desplazarse, queda descen trado. M ecánicam ente el desplaza miento del núcleo puede ser lineal o rotativo. Tanto en los transformadores de des plazamiento lineal como angular, los dos secundarios se suelen conectar en
SRNtOmt Y ACTUADO MS
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dulo do Poisson, //, cuya expresión es: d /■/ r
(7.15)
d/ / /
la relación anterior puede escribirse:
dR = R (I + 2 p)
di I
(7.16)
Bs decir, la variación unitaria de re sistencia d R/R está ligada con la varia ción unitaria de longitud dl/l, por un coeficiente constante (1 + 2p). que se denomina coeficiente de sensibilidad. A fin de poder medir variaciones dR significativas, la galga tiene una resis tencia alta, entre 100 Q y 1000 Q, y fun ciona con un consumo muy bajo de corriente, para evitar en lo posible que el efecto Joule provoque variaciones importantes de resistencia por calen tamiento. La medición de deformaciones re quiere una meticulosa colocación de las galgas y una calibración laboriosa, dado que el coeficiente de sensibilidad suele ser muy pequeño. La posterior amplificación de las señales suele ha cerse por métodos diferenciales, con tres hilos, como el representado en la figura 7.23. Por lo general, para com pensar los errores debidos a las con diciones ambientales o al propio calen tamiento por efecto Joule, se disponen como resistencias patrón R l, R2, R3, de galgas idénticas a la utilizada para la medición, y el conjunto se conecta por el método de 3 o 4 hilos para com pensar las resistencias del cableado.
G A LG A S D E SEM IC O N D U C TO R. Como hemos dicho, el coeficiente de sensibilidad de las galgas de hilo es muy pequeño y requiere el empleo de am plificadores de alta sensibilidad y muy bajas derivas. Como solución alterna tiva pueden emplearse galgas de se miconductor. en las cuales lu variación de resistencia se produce simultánea mente por el electo de alargamiento y estricción de una pista de semiconduc tor y por efecto piezoeléclrico (variación de la resistividad por deformación del semiconductor). Rn dichas galgas la ex presión que liga la deformación lon gitudinal con la variación unitaria de resistencia es la siguiente:
R
= (I +
2/3 +
^ d/ jt„ E ) /
(7.17)
Donde: d R/R es la variación unitaria de resistencia, fj es el módulo de Poisson. E es el módulo de Young (esfuerzo/ deformación), dl/l es la variación uni taria de longitud, n. es el coeficiente de piezorresistividad. Fl coeficiente de piezorresistividad loma valores típicos entre 100 y 200 para los semiconductores más frecuen tes, con lo cual la sensibilidad de dichas galgas es mucho mayor que las de hilo. No obstante, la resistividad de los se miconductores tiene una gran depen dencia de la temperatura y esto obliga a compensarlas térmicamente y difi culta en cierto modo la calibración.
7.7.3. Transductores piezoeléctricos Algunos elementos cristalinos como el cuarzo, la turmalina y otros mate riales sintéticos poseen la propiedad de adquirir una polarización en la direc ción de los denominados ejes eléctri cos. cuando se les somete a un es fuerzo y se deforman según la direc ción de los llamados ejes mecánicos (figura 7.24). Hl fenómeno se debe al desplaza miento que sufre el centro de gravedad de las cargas o iones positivos y ne gativos, generándose un efecto de di polo eléctrico. Esta propiedad se apro vecha para obtener sensores de defor mación o indirectamente de fuerza, par o presión. Las formas de aprovechar este efecto pueden ser básicamente dos: — Medición de la carga de polari zación. — Medición de la frecuencia de os cilación. Los sensores basados en el primer método miden la densidad de carga su perficial que aparece en la dirección de los ejes eléctricos al someter al cristal a una presión en la dirección de los ejes mecánicos. Dicha densidad de cargas es proporcional a la presión: q/S = k F/S
La
constante
Figura 7.24. Transductores piezoeléctricos: principio de funcionamiento. Coros m eta liz ad as
Figura 7.23. Puente de medida para galgas extensométricax. Ee5
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de
(7.18)
proporcionalidad
ICNSORKS Y ACTUADO*!*
^ara el cuarzo, por ejemplo, es de 2.1 X 10 IJ culombios/newton. Un cir.uíto electrónico permite detectar por influencia la carga eléctrica y propor.ionur una señal de salida proporcional a la deformación. El segundo método aplicable con los cristales piezoeléctricos se basa en la medición de su frecuencia de oscila ción cuando se les coloca en un cir cuito con realimentación positiva. Un cristal con electrodos dispuestos en la dirección de los ejes eléctricos tiene una frecuencia propia de oscilación que de pende básicamente de sus dimensio nes. Eléctricamente el sistema tiene un circuito equivalente como el que se muestra en la figura 7.25, donde la ¡nJuctancia I. y la capacidad C dependen de las dimensiones del cristal, y la ca pacidad C„ es una capacidad parásita que aparece entre los electrodos. La frecuencia propia de resonancia, /„, en condiciones estáticas depende de los alores de L y C según la conocida fórmula: i In JlC
La capacidad C y, por tanto, la fre cuencia propia de oscilación del cristal, varían cuando éste se deforma y se aprovecha esta propiedad como base de los sensores piezoeléctricos.
7.8. TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD La detección de velocidad forma par te de un gran número de sistemas in dustriales, en los que se requiere un control de la dinámica de los mismos. Los transductores de velocidad suelen pertenecer a uno de los siguientes ti pos: — Analógicos. Basados en genera dores de C C o dinamos tacométricas. — Digitales. Basados en la detección de frecuencia de un generador de pulsos (encoder u otros). Es importante resaltar que el com portamiento de estos transductores de pende en gran medida del acoplamien to de ejes entre parte móvil y trans-
oA
x c
a base de captadores ópticos o induc tivos. de forma análoga a la indicada para un encoder incrementul (figura 7.9). La velocidad es directamente pro porcional a la frecuencia de la señal ob tenida, de acuerdo con la siguiente ex presión: t = n ■A760
(7.20)
donde / = frecuencia en Hz, n = ve locidad en r.p.m. y N = número de im pulsos por revolución del generador. La robustez, la buena adaptación a sistemas de control digital y la buena relación coste/precisión de este tipo de sensores hacen que actualmente sus tituyan a los generadores tacométricos en muchas aplicaciones.
ni Circuito equivalente
T □
b) Circuito oscilador
7.9. A C E L E R O M E T R O S
figura 7.25. Cristales de cuarzo. ductor. Dicho acoplamiento debe ser algo flexible, pero sin permitir holgu ras, ya que, de lo contrario, puede in fluir muy negativamente en la estabi lidad de los sistemas en lazo cerrado.
7.8.1. Dinamo tacométrica La dinamo tacométrica es, en esen cia, un generador de corriente continua con excitación a base de imanes per manentes. La tensión generada al girar el rotor es estrictamente proporcional a la velocidad angular de giro:
E —
" w = A' to„
(o
(7.19)
donde ( E ) es la f.e.m. a una velocidad (cu) y (£„) es la f.e.m. a la velocidad no minal ( oí,,) . La sensibilidad K se ex presa generalmente en V/r.p.m„ sien do normales valores entre 50 y 100 mV/r.p.m. Algunas dinamos dan va lores más bajos, del orden de 5 V/1000 r.p.m., pero esto requiere después un tratamiento de señal más cuidadoso para obtener una resolución aceptable.
7.8.2. Generadores de impulsos Los transductores digitales de velo cidad están basados en la detección de frecuencia de generadores de impulsos
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El movimiento de grandes masas a velocidades elevadas requiere un con trol de las aceleraciones para evitar es fuerzos dinámicos excesivos. Los trans ductores de aceleración reciben el nombre de acelerómetros. En la mayoría de casos en que se requiere el control de aceleraciones se precisa controlar también la veloci dad, por lo que la aceleración puede detectarse indirectamente como varia ción de la velocidad en el tiempo. No obstante, existen transductores directos basados en la medición de la fuerza de inercia que actúa sobre una masa co nocida. Esta medición puede hacerse a través de sensores piezoeléctricos o simplemente midiendo la deformación de un muelle solidario al sistema, como muestra el esquema de principio de la figura 7.26. En régimen de aceleración constante la deformación, v, del muelle es pro
Figura 7.26. Acelerómetro de inercia.
Transductor de posición
m
=
B =
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podemos distinguir tres grandes grupos de sensores térmicos: — Termostatos todo-nada: Interrup tores que conmutan a un cierto valor de temperatura, en general con una cierta histéresis. — Termorresistencias: Sensores pasi vos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad eléctrica de algunos metales o semicon ductores con la temperatura. — Pífamenos de radiación: Sensores de tipo analógico, utilizables en general para altas temperaturas, que están basados en la radiación térmica emitida por los cuerpos calientes. 7.11.1. Termostatos Los termostatos son sensores con sa lida de tipo todo o nada que conmuta a un cierto valor de la temperatura. Los más simples están basados general mente en la diferencia de dilatación de dos metales y los más sofisticados se suelen construir a base de un sensor de tipo analógico y uno o varios compa radores con histéresis. Los de tipo bimetálico se utilizan tí picamente en sistemas de climatización y en algunas aplicaciones industriales como interruptores de protección (falta de ventilación, etc.). Los formados por una sonda ana lógica y un sistema comparador tienen la ventqja de ser, en general, regulables y de poder utilizar sondas de muy pe queño tamaño (sensores PT C o N T C de semiconductor) que pueden ubicar se en el interior de bobinados, máqui nas, recintos con atmósfera explosiva u otros emplazamientos donde se re quiere que ocupen poco espacio o que no se produzca arco eléctrico por aper tura de un circuito. 7.11.2. Termopares Los termopares son sensores activos de tipo analógico basados en el efecto Seebcck. Dicho electo consiste en la aparición de una tensión eléctrica entre dos piezas de distintos metales unidas o soldadas por un extremo, cuando éste se calienta (unión caliente) y se man tienen los otros dos extremos a una
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A M P LIF IC A D O R
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n) Principio de funcionamiento
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Fi/Clira 7.29. Termopares.
mente compensar las variaciones de temperatura en la unión fría, aunque esto requiere un sensor adicional, que suele ser una NTC. La tabla 7.3 indica algunas de las uniones de metales y aleaciones más utilizadas en la construcción de ter mopares, asi como sus principales ca racterísticas. Se observa que los valores de sen sibilidad son realmente bajos y. por tanto, requerirán amplificadores de se ñal de muy bajo ruido y de una gran resolución. Se puede aumentar la sen sibilidad a base de conectar termopares en serie si el aspecto volumen no es importante, ya que. en general, el termopar es un sensor económico.
7.11.3. Termorresistencias PtlOO misma temperatura inferior (unión fría). La fuerza electromotriz generada de pende de la diferencia de temperaturas entre la unión fría y la unión caliente £ = F(T - T )
Los conductores eléctricos presen tan, en general, un aumento de resis tencia con la temperatura, según una ley que puede expresarse en forma sim plificada por la siguiente ecuación:
(7.24) R, = R..l\ + a [T r - T J]
Para ciertos materiales existe una re lación bastante lineal entre la diferencia de temperaturas y la f.e.m. generada, siendo, por tanto, muy adecuados como transductores. Sin embargo, para re coger esta f.e.m. se deberán conectar los extremos fríos a conductores de co bre u otro metal y por el mismo efecto aparecerán unas f.e.m. de contacto, que sólo se compensarán en el caso de que ambas uniones frías se mantengan a idéntica temperatura. Por otro lado, para que la tensión de salida sea proporcional a la temperatura en la unión caliente, debe mantenerse constante la temperatura de las uniones frías, o compensarse la f.e.m. a que da rían lugar sus variaciones mediante un circuito adicional. Si se requiere una buena precisión, se prefiere general
(7.25)
donde a se denomina coeficiente tér mico de resistencia. Aprovechando esta propiedad, se construyen sondas de temperatura, pero para ello se requiere un material cuyo coeficiente se mantenga relativa mente constante y que dé una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen construir a base de platino, ma terial cuyo coeficiente térmico es de 0.00385 ohm/ohm "C . Dichas sondas suelen tener un valor nominal de 100 Q a O’C, de donde se deriva el nombre de Pt 100. Las sondas PtlOO son aptas como sensores para un amplio margen de temperaturas que va desde -250"C has ta 850’C. con una rnuv buena linealidad entre -200"C y 500‘'C.
Tabla 7.3. Características de distintos tipos de termopares. Tipo
Constante termoeléctrica
Rango de temperaturas
Característica más relevante
Fe-Consl.
J K R
0,057 m V/"C 0.041 m V/"C 0,012 m V/"C
0 - 600 C o - lo o irc 0 - 1600-C
Robustez
NiCr-N¡ PtRh-Pt NiCr-Const.
F.
0.075 m V/"C
0 - 600”C
Sensibilidad
M ;iieríales
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Robustez Estabilidad
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7.11.4. Termorresistencias PTC y NTC Las sondas PT C y N T C son esen cialmente termorresistencias a base de semiconductor. Éstos suelen presentar coeficientes de sensibilidad bastante mayores que en el caso de metales, pero a costa de un gran pérdida de l¡nealidad. Las PT C (Positive Temperature Coedicienl) son resistencias construidas a base de óxidos de bario y titanio, que muestran cambios muy bruscos de va lor a partir de una cierta temperatura. Precisamente la temperatura de cambio es un parámetro característico de las PTC. Fin la figura 7.30 se muestra la característica resistencia/temperatura a distintas frecuencias para una sonda PTC. Debido a su comportamiento poco lineal, se aplican básicamente en com binación con circuitos detectores de umbral como elementos todo-nada. Las N T C son resistencias con un coeficiente de temperatura negativo («Negative Temperature Coefficient»), construidas a base de óxidos de hierro, cromo, cobalto, manganeso y níquel dopados con iones de titanio o litio. El comportamiento frente a las variacio nes de temperatura puede expresarse, aproxim adam ente, por la siguiente ecuación: R = A e ,H,h
Figura 7.30. Tcrmistores PTC: cunas de respuesta.
(7.26)
Todos los cuerpos producen radia ción térmica, aunque ésta sólo es vi sible para temperaturas por encima de 500“C. La potencia total emitida por la superficie de un cuerpo negro (emisión total en todas las longitudes de onda) viene dada por la Ley de Stefan-Boltzmann:
I01 R («) I0 ‘
§
k
10’
■
1
10**
1
330 kS2 150 k «
10*
12 kí2
«.7 kC2 I0J
2,7 kS?
1
10 25
i—L J L . L U I
0
25
50
75
100
125
T °C
Figura 7.31. Termistores NTC: cunas de respuesta.
donde A y B, son constantes que de penden de la N T C y T es la tempe ratura en grados Kelvin. Por lo general, los valores de resistencia se refieren a 25"C, con lo que resulta una relación. I <, - /{3, e mm \tm>
(7.27)
El valor de la constante B se suele determinar experimentalmenle a partir de los valores de resistencia a 0"C y a 50"C. La figura 7.31 muestra la carac terística real de distintos tipos de N TC . Como puede verse, presentan una fuer te alincalidad con la temperatura (tén gase presente que la escala de orde nadas es logarítmica), por lo que su res puesta debe normalmente compensar se.
(7.28)
Q, = a A V
6B k«
í.7 kS2 22 k «
en el cual Q , es la potencia total emi tida. o es la constante de Kurlbaum para el cuerpo negro ti — 5,75 X 10 " J m : K 's A es la superficie del cuer po emisor y 7 es la temperatura ab soluta del cuerpo. Basándose en esta ecuación y co nocida la geometría de un cuerpo, se puede conocer su temperatura midien do la potencia radiada. La figura 7.32 muestra el espectro de emisión de un cuerpo negro ideal a diferentes tem peraturas. La potencia emitida por los cuerpos reales es siempre menor que la del cuerpo negro ideal. Los factores de co rrección v, son, por ejemplo, 0,81 para el carbón, 0,02 para el oro, 0,25 para el hierro. 0,08 para el acero, etc. La radiación emitida puede medirse en su totalidad, o sólo en una banda
Finura 7.32. Potencia radiada por un cuerpo neffro ideal a distintas longitudes de onda. 200
---1 ----- r— -- T
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w„«¡ 100
| 50
Aooo
J
/1600»C\
/{ /
7.11.5. Pirómetros de radiación La medida de temperaturas con termopar o termorresistencia implica el contacto directo entre el transductor y el cuerpo cuya temperatura se desea medir. Sin embargo, este contacto re sulta imposible si la temperatura a me dir es superior al punto de fusión del material del transduclor. o si el cuerpo caliente es muy pequeño y cambia su temperatura al efectuar la medida. En estos casos pueden utilizarse los pirómetros de radiación, que miden la tem peratura a partir de la radiación térmica que emiten los cuerpos calientes.
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AUTÓMATAS PRO G RA M A RLES
dos no compresibles, la forma habitual de medición consiste en hallar la ve locidad de paso por una sección co nocida. Para los fluidos compresibles, en cambio, los métodos más adecuados son los puramente volumétricos a base de turbinas.
sección de paso se tiene una indicación indirecta del caudal. Como variante de éstos se pueden considerar los de turbina, donde la pre sión dinámica hace girar un rodete. La velocidad de giro de una turbina in tercalada en la tubería es proporcional al caudal en el caso de Huidos incom presibles. La medida de dicha veloci dad puede hacerse mediante un simple captador inductivo u óptico sin romper la estanqueidad de la tubería. La figura 7.37 muestra un esquema de principio de este tipo de transductores.
7.13.1. Medidores por efecto Venturi F.l efecto Venturi consiste en la apa rición de una diferencia de presión en tre dos puntos de una misma tubería con distinta sección y, por tanto, dife rente velocidad de paso del fluido. Para Huidos no compresibles, dicha diferen cia de presión depende de la relación de diámetros (¿//£>). del caudal y de la densidad y, por tanto, de la temperatura. Basándose en el mencionado efecto, pueden construirse transductores de caudal para líquidos a base de hacer que circulen por un estrangulamienlo con diámetros de entrada y salida ca librados y medir la diferencia de pre siones con un transductor de presión diferencial, tal como se ha indicado en el apartado anterior. Dicha diferencia de presiones nos dará una medición in directa del caudal. La figura 7.35 mues tra el principio de funcionamiento de estos medidores.
Figura 7.35. Transductores de caudal basados en el efecto Venturi.
7.13.3. Medidores por velocidad y por inducción
Figura 7.3b. Transductores de caudal basados en la medición de presión dinámica. 7.13.2. Medidores por presión dinámica Estos transductores se basan en el desplazamiento de un pequeño pistón o flotador sometido a la presión di námica de la corriente de fluido (figura 7.36). Dicha presión equilibra el peso del cuerpo y provoca un desplazamien to del pistón proporcional a la veloci dad del fluido. La medición de dicho desplazamiento, tal como se ha indi cado en apartados anteriores, permite tener una indicación indirecta de ve locidad. A su vez, para Huidos incom presibles, conociendo la velocidad y la
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Este tipo de transductores se basan en la ley de inducción de Earaday, se gún la cual, sobre un conductor que se desplaza transversalmente a un campo magnético se genera una f.e.m. pro porcional a la longitud del conductor, a su velocidad de desplazamiento y a la inducción del campo: E = I (v a
B)
(7.29)
donde ( a ) representa el producto vec torial. En el caso de un Huido conductor en movimiento, se produce por este mis mo principio una f.e.m. en sentido per pendicular al movimiento y a la direc ción del campo. La figura 7.38 muestra un esquema de principio del transduclor, en el que se indican las direcciones de movimiento (v), campo (/?) y f.e.m
8INS o m s Y A CRIADORES
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AUTÓMATAS
a la presión absoluta, ya que los cam bios de presión atmosférica suelen te ner poca importancia, sobre todo si se trata de líquidos densos. Para tanques cerrados, en cambio, es imprescindible utilizar transductores de presión dife rencial.
7.16. A C C IO N A M IE N T O S E L É C T R IC O S De alguna manera, todos los prcaccionamientos que se conectan a los autómatas suelen tener mando eléc trico. Pero dentro de este apartado nos referiremos únicamente a relés, con tactores y servomotores de tipo eléc trico.
7.14.3. Transductores por flotador El método más fiel para detectar el nivel de líquidos consiste en el empleo de un flotador solidario a un sistema de palancas y unido a un sensor de dis tancia o desplazamiento. La figura 7.41 muestra unos esquemas de principio para recipientes abiertos y cerrados. 7.14.4. Transduclorcs ultrasónicos Los detectores por ultrasonidos se basan, en realidad, en la medición de la distancia desde el fondo a la super ficie o desde el punto máximo a la su perficie, empleando alguno de los mé todos indicados en el apartado 7,6.6. E l transductor emite un impulso de presión (ultrasonidos) que es reflejado por la superficie del material y recogido por un receptor colocado al lado del emisor. El tiempo total de ida y vuelta es proporcional a la distancia y a la den sidad del medio (velocidad del sonido en el medio). La figura 7.42 muestra un esquema de principio del medidor. Este tipo de detector es apto también para detectar nivel de sólidos.
7.15. A C C IO N A M IE N T O S : C L A S IF IC A C IÓ N En la introducción hemos definido el accionamiento como aquel disposi-
Figura 7.41. Tranadurtores di nirel por flotador.
Figura 7.42. Transductores de nivel por ultrasonidos. livo o subsistema que se encarga de regular la potencia de una planta o de un automatism o. E l accionam iento puede estar bajo el control directo de la parte de mando o puede requerir al gún preaccionamiento para amplificar la señal de mando. La gama de posibles accionamientos que puede controlar un autómata pro gramable es enormemente extensa y variada. Entre los más habituales se en cuentran los destinados a producir mo vimiento (motores y cilindros), los des tinados a trasiego de fluidos (bombas) y los de tipo térmico (hornos, inlercambiadores. etc.). Sin embargo, no es nuestro propósito estudiar aquí moto res. bombas u otros tipos de acciona mientos convencionales, sino que tra taremos preferentemente de los preaccionamienlos y otras partes más direc tamente ligadas al control, tales como servomotores, servoválvulas, etc., que se pueden considerar como comple mentos del autómata en las funciones de regulación. Para empezar podemos establecer una clasificación atendiendo a la tec nología o, si se quiere, dependiendo del tipo de energía empleada en el accio namiento. Según esto podemos distin guir: — Accionamientos Accionamientos — Accionamientos — Accionamientos
eléctricos. hidráulicos. neumáticos. térmicos.
Dentro de cada una de estas tec nologías encontramos, a su vez. accio namientos de dos tipos: — Accionamientos todo o nada. — Accionamientos de tipo continuo.
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7.16.1. Relés y contadores Los relés y contactores son disposi tivos electromagnéticos que conectan o desconectan un circuito eléctrico de potencia al excitar un electroimán o bo bina de mando. La diferencia entre relé y contactor está precisamente en la po tencia que es capaz de seccionar cada uno. Los relés están previstos para ac cionar pequeñas potencias, general mente inferiores a I kW . mientras que los contadores pueden accionar gran des potencias (centenares de kilova tios). Los relés se suelen emplear como etapa previa para accionar dispositivos más potentes como los propios con tactores, electroválvulas u otros. El relé separa en general la parle de mando, que trabaja con tensiones y corrientes débiles, de la parte de potencia, con tensiones y corrientes más elevadas. Muchas etapas de salida de autómatas utilizan relés cuya bobina va gobernada directamente por los circuitos electró nicos y que aportan la ventaja de aislar eléctricamente el circuito electrónico de los contados de utilización. Las características más relevantes de relés y contadores son: — Tensión tle mando: Tensión de ali mentación de la bobina de man do. — Potencia de mando: Potencia ne cesaria para accionar la bobina de mando. — Tensión de aislamiento, U,: Ten sión de prueba entre circuito de mando y contactos. — Tensión de empleo, U c: Tensión de trabajo de los contados de poten cia. Corriente térmica, IIh: Corriente máxima que pueden soportar los contactos una vez cerrados sin so brepasar los límites de calenta-
SINSORAS Y ACTUADORKS
míenlo. No debe contundirse con la corrienie de empleo. — Corriente tic empleo, 1,: F.s la co rriente que el dispositivo es capaz de accionar e interrumpir para cada tensión de empleo y con car ga resistiva. Poder de corte: Se define por la corriente que el relé es capaz de accionar e interrumpir para cada tipo de carga (inductiva, capaciti va, motores, etc.) y para un nú mero de maniobras determinado. Los tipos de servicio más fre cuentes según normas IE C son: PARA R ELÉS. D C ll: Mando de bobinas y electroimanes en general en corriente continua. A C I I : Mando de bobinas y electroimanes en general en corriente alterna.
PARA C O N TA C TO RES A C E Conexión y corte de car gas resistivas. AC2: Mando de motores de C A de rotor en cortocircuito, sin posibilidad de corte durante el arranque ni inversión a mo tor lanzado. AC3: Mando de motores de C A de rotor en cortocircuito, con posibilidad de corte durante el arranque e inversión de marcha a motor lanzado. AC4: Mando de motores de C A con corriente limitada por re sistencias, autotransformador u otros medios.
La tabla 7.4 da un breve resumen de las características más relevantes de re lés y contadores de baja tensión 7.16.2. Servomotores de CC Los servomotores de C'C son pe queñas máquinas especialmente dise ñadas para control de posicionamiento Aunque el principio de funcionamiento es el de una máquina de continua con vencional con excitación independien te, su forma constructiva está adaptada a obtener un comportamiento diná mica rápido y estable y un par de arran que importante. Por lo general, el inductor se en cuentra en el estator y puede ser o bo binado o de imán permanente. El in ducido, alojado en el rotor, se suele construir de forma que presente una inercia mínima. Constructivamente .se diferencian básicamente en la forma del rotor (figura 7.43). Las más habituales son: — Rotor alargado. — Rotor en forma de cesta. — Rotor de disco.
C ARACTERÍSTICA
R ELÉS
CONTACTORES
CC
6. 12. 24, 48, 110 V
CA
12 a 220 V
24 a 380 V
t f mundo
0,25 a 5 W
5 a 1000 W
U,
250 a 1000 V C A
1000 a 5000 V
< 110 V
< 250 V
< 380 V
< 1000 V
< 15 A
16 A a 1500 A
< 1A
1 A a 500 A
U,
CC CA
L
/, Poder de corte
CC
Las relaciones fundamentales entre dichos parámetros para un servomotor con excitación por imanes permanentes o excitación independiente y constante son las siguientes:
0,
„ = Á E - Kr ( U . ~ R , l )
c m = K,„ Los dos primeros suelen tener un co lector clásico de forma cilindrica, mien tras que en los de disco suele estar dis puesto en forma radial. El rotor de di chos motores de disco puede estar construido a base de circuito impreso o cable rígido con soporte de resina, dando una inercia propia extremada mente baja. Los parámetros esenciales de un ser vomotor de C C y las unidades de me dida habituales son los siguientes:
Tabla 7.4. Características típicas de relés y contactores. V mando
velocidad (r.p.m.) fuerza electromotriz del inducido (voltios). U, tensión de inducido (voltios). / corriente de inducido (amperios). 0, flujo inductor o excitación, en caso de motores con bobinado de ex citación es proporcional a la co rriente de la bobina inductora. T Constante de tiempo eléctrica l. >R (segundos). C,„ par motor (metros * newton). P potencia (vatios). K, constante eléctrica (r.p.m./voltio). Su valor se puede obtener de la relación (n „ JF . K,„ constante mecánica, medida en metros newton / amperio. Se ob tiene de la relación ( Cmm, J I , mJ , n /:
24, 48. 110. 220 V
D C ll < 1 A
D C I hasta 200 A
A C II < 5 A
AC3 hasta 1000 A
137
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/,
(7.31) (732)
Figura 7.43. Formas constructivas del rotor en servomotores de CC.
£ = £,/, = 0.1047 C „ n
(7.33)
A partir de estas relaciones se de duce que el control de velocidad del motor puede hacerse regulando la ten sión de inducido y compensando la caí da de tensión R, I y el control de par requiere regular la corriente de indu cido. Fin ambos casos se debe mante ner constante el flujo de excitación. Para caracterizar el comportamiento dinámico de un accionamiento debe mos obtener el diagrama de bloques del motor más la carga, supuesta ésta con un par resistente C„ una inercia ,/ y un rozamiento viscoso f. La figura 7.44 muestra un esquema del accio namiento junto con el diagrama de blo ques completo, donde J , representa la inercia total del rotor del propio motor más la de la carga. Dado que el rozamiento viscoso sue le ser pequeño frente a la inercia, el sistema mecánico se comporta prácti camente como un integrador puro. En tal caso, simplificando el diagrama en lazo cerrado, se obtiene la siguiente función de transferencia: n = [U - C, R JK ,„ (1 + +
■*)] , ,
t
, T
T
¿ (7-34)
I + Tm s + Tm 7, r
donde T„, es la denominada constante de tiempo mecánica, cuyo valor es:
T =
(7.35)
Este modelo de motor permite de terminar el comportamiento dinámico del motor más carga y elegir el regu lador más conveniente para sistemas de regulación de velocidad o posición, si guiendo los principios estudiados en el capitulo 3.
7,16.3. Servomotores de CA Para accionamientos de cierta poten cia, el motor de alterna presenta di versas ventajas frente al de continua, la principal de ellas la ausencia de colec tor y escobillas. Dentro de los motores de alterna podemos distinguir los asin cronos y los síncronos. El motor asincrono convencional no es apropiado para muchos servosiste-
n
//////// f
& -cte 7/777777 a) A ccionam iento con servom otor de CC
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ti
Cm f rv
f * J T.s
r,
b) Diagram a de bloques
figura 1.44.
Modelo del servomotor de CC.
mas que requieran cierta precisión, a causa del deslizamiento y de la poca linealidad de las características par-ve locidad. Se emplea, acompañado de variadores de frecuencia, para acciona mientos de velocidad variable, donde gracias a un control en lazo cerrado pueden ser obtenidas precisiones acep tables. No obstante, en sistemas de posicionamiento y pequeña potencia, los mo tores de alterna más utilizados son el síncrono y el de reluctancia, debido a la ausencia de deslizamiento. A ellos nos referimos habitualmente al hablar de servomotor de CA. Las formas constructivas del servo motor de C A pueden ser varias. Lo clá sico en una máquina síncrona es dis poner un devanado estatórico. alimen tado en C A y un devanado rotórico, alimentado en C C a Iravés de escobi llas y un sistema de anillos rozantes. Sin embargo, en los servomotores el rotor suele estar constituido por un bloque de hierro (motor de reluctancia) o por un imán permanente, para evitar la existencia de escobillas. Las piezas polares y el rotor suelen tener forma dentada, igual que se verá en los mo tores paso a paso. Los motores síncronos con rotor de imán permanente y los motores de re luctancia con rotor liso funcionan con
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devanados trifásicos en el estator y con uno o más pares de polos por fase, de forma que se cree un campo giratorio sin saltos. Los parámetros esenciales de los que depende el funcionamiento del motor son los siguientes: velocidad (r.p.m.). frecuencia (hercios equivalente a segundos '), p pares de polos. U, tensión de inducido (voltios). /, corriente de inducido (amperios), L, inductancia de cada devanado (henrios). C,„ par motor (metros - newlon). A,„ constante de par (m-N/Al. P potencia (vatios).
n /
Las relaciones fundamentales que cumple el motor son las siguientes; n = 60 f/p U. ' ~ 2,7/7.,
(7.36) (7.37)
Cm= K m /,
(7.38)
P - 2,7 Cm f/p
(7.39)
De dichas relaciones se desprende que la velocidad es proporcional a la
SENSORES Y ACTU
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Pitra el ciclo de cuatro «pasos» el án gulo de avance que corresponde a un paso será:
4™» =
90" (N * - N l) * k
P
(7.41)
El número de pasos por vuelta, para la secuencia de cuatro pasos por ciclo, viene dado por la expresión: /V (pasos/rev) =
N„ / 4 -— N* —
(7.42)
ol Convertidor de alimentación bifásico o tetrafásico
Si se conmuta con una frecuencia de /(pasos/segundo), la velocidad del mo tor será:
"
*
6 0 / (0 * — /Vf)
N, I
4
(7 43)
Puede invertirse el sentido de giro del motor sin más que invertir el orden de las conmutaciones. E l par motor depende de la corriente de alimentación y, a su vez, ésta de pende de la frecuencia, de forma que alimentando a tensión constante suele decrecer con la frecuencia, ya que au menta la ¡mpedancia de los devanados. Así pues, a tensión constante el par de crece con la velocidad. De todas for mas, el convertidor puede aumentar la tensión a medida que aumenta la fre-
b) Secu en cia de conm utaciones de 8 pasos por periodo (a v a n c e a 1/2 paso)
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Figura 7.4*). Curvas par-velocidad de un motor paso a paso con distintos tipos de alimentación.
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INTERFACES 01 ENTRADA/SALIDA
8. INTERFACES DE ENTRADA/SALIDA 8.1. IN T R O D U C C IO N El control de un proceso requiere siempre un diálogo operador-máquina y una comunicación entre máquina y sistema de control. Para el sistema de control, y más concretamente si éste es un autómata, esto se traduce en que éste reciba una serie de señales exter nas, unas de mando y otras de reali mentación que, en conjunto, consti tuyen las entradas. Por otro lado, el operador necesita conocer algunos da tos sobre la marcha del proceso y los accionamientos necesitan recibir las ór denes oportunas para controlarlo. Todo ello se realiza a través de las salidas del autómata, El conjunto de entradas/sa lidas (abreviadamente E/S) constituyen lo que se denomina a veces «medios de diálogo hombre-máquina y máqui na-controlador». Las señales de entrada van desde el simple pulsador o final de carrera, hasta la medición de cualquier magnitud fí sica que intervenga en el proceso, como se ha explicado en el capítulo 7. Por otro lado, las salidas pueden consistir también en señales todo-nada, gene ralmente actuando sobre relés, electroválvulas u otros elementos electrome cánicos, o señales analógicas o digitales para señalización en instrumentos de medida, visualizadores, impresión de mensajes de alarma, mostrar el estado de los sensores y accionamientos, et cétera. La característica esencial del autó mata programable (A P ) con respecto a otros tipos de controladores digitales es precisamente su capacidad de comu nicación con un entorno exterior en el que se manejan señales de potencia, con tensiones y corrientes de nivel in dustrial, aunque suelen disponer tam bién de buses de comunicación digital parecidos a los que normalmente in corporan los sistemas informáticos, tal como se verá en los capítulos siguien tes. El autómata no deja de ser inter
namente un sistema informático, ba sado en uno o más microprocesadores y como tal trabaja con circuitos lógicos de pequeña señal. Pero su característica diferencial es que dispone de un blo que de circuitos de interfaz de E/S muy potente, que le permite conectar direc tamente con los sensores y acciona mientos del proceso. E) objetivo de este capitulo es pre cisamente el de profundizar en la es tructura interna de los circuitos de in terfaz, tanto de entrada como de salida. No es casualidad que un 90% de las averias de un autómata estén relacio nadas directamente con los circuitos de E/S. Dichos circuitos son los más di rectamente ligados a señales de campo, con cableados largos, sujetos, por tanto, a ruidos y perturbaciones eléctricas o incluso a fuertes sobrecargas en caso de cortocircuitos u otros accidentes for tuitos. Así pues, la elección de las in terfaces de E/S adecuadas en cada caso es un tema de gran importancia para conseguir una alta fiabilidad y dispo nibilidad del sistema (véanse las defi niciones de estos términos en el ca pítulo 20).
niveles distintos de tensión e incluso con códigos distintos. Asi pues, las fun ciones de la interfaz son básicamente dos (figura 8.1): — Enlace a nivel de hardware (ni veles y tipo de tensión). — Enlace a nivel de código (estados lógicos, conversión A/D o D/A, tipo de código digital, etc.). Dependiendo del tipo de señales que empleen los sistemas a enlazar, la in terfaz puede tener mayor o menor complejidad, A este respecto, tanto las señales de mando como las de proceso, en entornos industriales, podemos cla sificarlas en los dos grandes grupos si guientes: — Señales todo-nada: Codificación digital binaria (un solo bit). — Señales continuas, con dos tipos posibles de codificación: • Codificación analógica. • Codificación digital en palabras de una determinada longitud (8 bits. 16 bits, etc.). Dependiendo del sentido o sentidos de enlace las interfaces podrán ser:
8.2. T IP O S D E IN T E R F A C E S D E E/S E l término «interfaz» se utiliza para designar cualquier bloque que sirve de enlace entre otros dos. Los bloques a enlazar podrán trabajar, en general, con
— Unidireccionales: Transferencia de información en un solo sentido (entradas o salidas). — Bidireccionales: Posibilidad de transferencia en ambos sentidos, ya sea conmutando de un sentido
Figura 8.1. Estructura básica de interfaz.
S IS T E M A
A
^ eñal/oatqs^
_s e n a l / o a t o s _
S IS T E M A 0
IN T E R F A Z ( Vi
código i )
( . CONTROL
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control
c ó d ig o 2 )
a olro (half-duplex) o en ambos sentidos simultáneamente (fullduplex). Cabe destacar también, que el enlace entre sistemas digitales que intercam bian información en forma de palabras, requiere una interfaz que maneja dos tipos de señales: - Datos: Que contienen la infor mación útil. Señales de control o de protocolo: Que controlan el llujo de infor mación. Finalmente, para sistemas digitales programables. puede establecerse una división entre dos partes de la inter faz: — Interfaz de hardware: Encargada del enlace a nivel de tensiones y estados lógicos. — Interfaz de software: Encargada de la interpretación de códigos y de las señales de control. La tabla 8.1 muestra un resumen de los tipos de interfaces de entrada/salida más comunes en los autómatas pro g ram ab as, así com o las funciones esenciales que debe realizar en cada caso la interfaz.
8.3. E N T R A D A S / S A L ID A S D IG IT A L E S l.as interfaces de entrada digitales son aquellas que conectan el autómata con señales de proceso de tipo binario (conectado/desconectado o abierto/ cerrado), o con grupos de señales bi narias formando palabras En este ca pítulo vamos a referirnos, sin embargo, a las señales de un solo bit, llamadas también señales lógicas o binarias, de jando para los capítulos de comunica ciones las interfaces entre sistemas que intercambian información digital en forma de palabras. El autómata programable. como su cesor de muchos sistemas antiguos ba sados en relés, está especialm ente adaptado a las señales binarias, hasta el punto de que ésta es quizás la carac terística más peculiar que le distingue de otros sistemas de control industria les como puedan ser los de robótica, máquinas-herramienta o incluso de los sistemas informáticos. En realidad, uno de los criterios de clasificación de los autómatas estriba precisamente en el número de entradas/salidas (binarias) y su C P U (unidad central de proceso) suele estar especialmente adaptada al tratamiento de bits. Las señales de entrada todo-nada proceden, por lo general, de contactos
electromecánicos (interruptores, pul sadores, finales de carrera, etc.) y las salidas suelen atacar a bobinas de elec troimanes (relés, clectroválvulas, etc.). Ambos tienen en común que suelen estar alimentados con tensiones alter nas entre 24 y 22U V, , o tensiones con tinuas de 24 a III) V , ,. La interfaz para estas señales suele ser básicamente una interfaz de hardware de tipo unidirec cional. en el caso de entradas destinada a captar los niveles (alto o bajo) de ten sión y convertirlos a niveles lógicos T T l. (0 a 5 V ) y en el caso de las salidas haciendo la conversión inversa. Una característica a valorar para es tos tipos de interfaces es la separación galvánica entre los circuitos internos del autómata, que operan a niveles T T L , y los circuitos externos. Esta separación galvánica proporciona enormes venta jas desde el punto de vista de inmu nidad a ruido eléctrico y robustez ante las sobretensiones y perturbaciones a que suelen estar sometidas las «señales de campo» (entradas y salidas). En la práctica, la mencionada separación exi ge tener fuentes de alimentación se paradas para la lógica interna del au tómata y para las E/S. Dichas fuentes de alimentación pueden estar conte nidas ambas dentro del propio autó mata. Puede también utilizarse una ali mentación externa para alimentar las
Tabla S.l. Tipos y funciones de las interfaces de ElS. TIPOS
CODIFICACIÓN
SENTIDO
EN TRA D AS TODO o NADA
EN TRAD AS
(0. ± 10 V )
SEÑ ALES
S A L ID A S
EN TRA D AS
C O N T IN U A S D IG I T A L E S
(8. 16... bits)
Aislamiento galvánico
— Adaptación de niveles de tensión S A L ID A S
(4. 20 m A I
- Adaptación de niveles de tensión - Filtrado de perturbaciones -
B IN A R IA 1 hii
A N A L O G IC A S
FUNCIONES DE I.A IN TER FA Z
S A L ID A S
— Amplificación de corriente — Aislamiento galvánico - Adaptación y filtrado de señal — Conversión A/D
- Conversión D/A - Adaptación a 0, ± 10 V o 4. 20 mA - Selección de canal y multiplexado - Conversión de códigos - Conversión de código (Bin. — A S C II *-♦7 segmentos) — Amplificación de corriente
B ID IR E C C IO N A L HS
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Conversión de código (serie •— paralelo) Protocolo de diálogo (hard + soft)
• De acoplamiento directo: Se ñales sin aislamiento galvánico que requieren, por tanto, unir el común de alimentación de E/S al cero de la lógica interna. Este lipo de acoplamiento está prácticamente en desuso por las razones que se han comentado anteriormente.
Finura tí.2. Interfaz de entrada Iónica (I bit), E/S o incluso alimentaciones indepen dientes para entradas y salidas. Las figuras 8.2 y 8.3 muestran la es tructura básica para una entrada y una salida de tipo lógico o binario, ponien do de relieve la antes mencionada se paración de ios circuitos de alimenta ción.
8.4. E N T R A D A S L Ó G IC A S Dentro de las interfaces de entrada para señales binarias, podemos distin guir los siguientes tipos, atendiendo a distintas características de los mismos: — Según la tensión de alimentación pueden ser: • De corriente continua (C C ): Los valores de tensión más fre cuentes son 12. 24, 48 y 110 V cr.
• De corriente alterna (C A ): Los valores de tensión más frecuen tes son 24, 48, 110 y 220 V, v - Para los de C C y según la polari dad de la fuente de alimentación conectada a l común, podemos dis tinguir los tipos: • PN P: Común de alimentación a negativo (lógica positiva). • N P N : Común de alimentación a positivo (lógica negativa). — Según el aislamiento de la interfaz: • Con aislamiento galvánico: A li mentaciones completamente se paradas de las E/S y de la lógica interna. Dicho aislamiento se suele conseguir mediante un optoacoplador, que suele admitir tensiones de prueba desde 1500 hasta 5000 V, según los casos.
Figura H.3. Interfaz de salida lógica (I bit).
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Lu descripción detallada de cada uno de estos tipos de interfaces se hará a continuación, estudiando un circuito típico de cada uno de ellos. Lina característica importante a tener en cuenta en las interfaces de entradas binarias son los márgenes de ruido, que se definen como sigue. El margen de mido de una señal ló gica es el rango de valores que puede tomar dicha señal siendo interpretada inequívocamente como nivel lógico 0 o I. Este parámetro permite deter minar el máximo nivel de perturbación que puede superponerse a una señal de entrada sin que el sistem a lógico interprete erróneamente su nivel lógi co. Cabe distinguir dos márgenes de ruido: - Margen de ruido estático: Aplicable a señales que permanecen durante un tiempo significativamente ma yor que la constante de tiempo de respuesta del circuito interfaz. En general, los márgenes de ruido para el nivel 0 lógico y para el nivel 1 lógico pueden ser distin tos, tal como se indica a conti nuación. Se define el margen de mido estático del nivel «0», como el rango de valores, para una tensión de entrada permanente, que la in terfaz interpretará como nivel ló gico «0». Análogamente, se define el margen estático de mido del ni vel «1», como el rango de valores de tensión de entrada permanente que la interfaz interpretará como « I» lógico (figura 8.4). Para tensiones de entrada com prendidas entre ambos márgenes de ruido, la interfaz dará un es tado lógico indeterminado y, por tanto, la señal de entrada podría ser interpretada erróneamente por el AP. Los márgenes de ruido de penden, en general, de la tensión
AUTÓMATAS PftO O RAM ABLKS
8.4.1. Entradas de C C P N P Las entradas de tipo P N P trabajan, como se ha dicho, con lógica positiva. La conexión de las señales de campo (interruptores) a los terminales de en trada del autómata se efectúa como si gue (figura 8.6):
de entrada de la interfaz, siendo tanto mayores cuanto más grande sea aquélla. - Margen de ruido dinámico: Apli cable a señales transitorias cuya duración es inferior a la constante de tiempo de respuesta de la in terfaz. Para transitorios de corta du ración, se admiten mayores fluc tuaciones de la entrada sin que se interprete un cambio de estado ló gico. Se definen entonces los már genes de ruido dinámico para los niveles 0 y 1 como la máxima am plitud de perturbación de una cierta duración que no produce cambio de estado lógico a la en trada. La figura 8.5 muestra cómo el nivel de ruido dinámico au menta para transitorios de corta duración, ya que el retardo de la interfaz actúa como filtro.
— Se unen por un extremo todos los interruptores. Este extremo se co noce como común de campo o co mún de interruptores y se conecta, para la interfaz PN P, al polo po sitivo de la fuente de alimentación de E/S. El otro extremo de cada uno de los interruptores se conecta a los distintos terminales de entrada del autómata ( E l, E2,...). — Internamente, en la interfaz, va rios circuitos de entrada suelen es tar unidos por un extremo, por lo que sólo se dispondrá de un ter minal por entrada y uno común a todas ellas que se conoce como
F.sle tipo de interfaces suelen tra bajar con tensiones de 12. 24, 48 o 110 V ( (. Algunas de ellas admiten un am plio margen de tensiones, por ejemplo de 12 a 48 V, ( o 48 a 110 V , ,, El estado de las entradas suele estar indicado por un diodo L E D que luce cuando éstas tienen tensión aplicada. Esta indicación es realmente útil para la comprobación y mantenimiento del equipo. Según puede observarse en los dia gramas de bloques, cada entrada dis pone de un filtro R C para conseguir mayor inmunidad a perturbaciones, ya que aumenta el margen dinámico de
Figura 8.6. Conexión de interruptores u interfaz de entradas CC-PNP.
Figura 8.5. Margen de mida dinámico. M argen de ruido dinám ico
M argen de r u id o e s tá tic o '
a !nr>s
común de la interfaz. En las en tradas PN P dicho común de la in terfaz debe conectarse al polo ne gativo de la fuente de alimenta ción de E/S. Esta conexión sólo debe hacerse en caso de utilizar una fuente de alimentación se parada del autómata, pues en caso de utilizar una fuente interna sue le estar hecha interiormente.
Cte de tiem po
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INTCRFACKS D I SNTRADA/SALIDA
ruido. La constanie de tiempo de dicho lillro suele oscilar entre 1 y 10 ms, cir cunstancia que debe tenerse en cuenta para determinar el tiempo mínimo que debe estar presente una señal de en trada para que sea leída. Un aspecto importante a tener en cuenta si se utilizan detectores de pro ximidad con una interfaz de entrada PN P, es que éstos deben ser de C C tipo P N P y se conectan tal como indica la figura 8.7. Para este tipo de detectores y, en general, para cualquier interruptor estático empleado en la entrada, deben analizarse dos parámetros fundamen tales: la corriente de fuga del detector y la ¡mpedancia de entrada de la in terfaz. F.I producto de ambos no debe ser superior al margen de ruido de en trada a nivel 0. pues de lo contrario la interfaz interpretará erróneamente un nivel 1 incluso cuando el detec tor de proximidad esté teóricamente abierto. Las señales de entrada, una vez adaptadas a los niveles de tensión in ternos del A P por medio de la interfaz, se conectan al bus interno mediante un multiplexor (M U X ), que será explora
Figura 8.7. Detalle de conexión de un detector de proximidad PNP a una entrada CC-PNP. lores típicos de los parámetros más re levantes de una interfaz de entradas como la que hemos descrito en este apartado.
do durante la fase de lectura de las en tradas para su almacenamiento en la memoria de E/S. En la tabla 8.2 se indican algunos va
Tabla 8.2. Características tipo de entradas CC PNP y NPN. C A R A C T E R ÍS T IC A S
CC tipos PNP o NPN
Núm ero de entradas/módulo
4, 8. 16 o 32
Separación galvánica
Si (optoacoplador) o NO Grupos de 4 u 8 entradas
Terminal común Tensión nominal de entrada
Nam ur
— Margen estado 1
24 V > 12 V
48 V > 30 V > 6 mA < 12 V
— Corriente estado 1 — Margen estado 0
2,1-9 m A
> 8 mA < 5 V
— Corriente estado 0
0-1.2 m A 800 fi
< 2.5 m A 2-4 kQ
— Impedancia entrada (típica) Retardo de 0 a 1 Retardo de 1 a 0
<3.5 m A
7-10 kQ
12 kfi
entre 5 y 20 ms
< 2 ms
entre 5 y 20 ms 30 a 60 kfi
Máxima resistencia de linea
Típico 500 n
Máxima longitud línea sin apantallar
Típico 100 m
Aislamiento entre canales Aislamiento vs. bus
Típico 1500 V(-A (sólo optoacoplados) Típico 1500 V, A (sólo optoacoplados)
Aislamiento vs. red
Típico 1500 V CA
Temperatura de trabajo
5 a 55'’C
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>8mA < 35 V
< 2.5 m A
< 2 ms
M ínim a resistencia de fuga para interpretar estado 0
110-220 V > 77 V
10 a 15 ms 15 a 30 ms
A U TÓ M A TA ! N tO O R A M A B L Ii
8.4.2. Entradas de CC-NPN Las características de este tipo de in terfaces son muy similares a las del apartado anterior, diferenciándose de aquellas en que empican lógica negaliva en vez de lógica positiva. Asi pues, la conexión de las señales de campo a los terminales de entrada del autómata se efectúa como sigue (véase la figura 8.8 y compárese con la 8.6): — Se unen por un extremo todos los interruptores. Este extremo (co mún de campo) se conecta en la interfaz N P N , al polo negativo de la fuente de alimentación de E/S. — E l otro exlremo de cada uno de los interruptores se conecta a los distintos terminales de entrada del autómata ( E l, E2,...). Igual que en el caso PN P. varios circuitos de entrada suelen estar unidos por un extremo, el común del interfaz, que para el caso N PN debe conectarse al polo positivo de la fuente de alimentación de F./S. F.sta conexión sólo debe ha cerse en caso de utilizar una fuen te de alimentación separada del autómata, ya que en caso de uti lizar una fuente interna suele estar hecha interiormente. Las tensiones de trabajo de las en tradas N P N son del mismo valor in dicado en el apartado anterior y dis ponen, asimismo, del L E D de indica ción de estado, de un filtro de entrada con constantes de tiempo similares al caso P N P y de un multiplexor para ser leidas secuencialmente por el sistema lógico interno. En caso de utilizar detectores de pro ximidad como interruptores de entra da, éstos deben ser de C C tipo N P N y se conectan tal como indica la figura 8.9. Deben tenerse en cuenta, asimis mo, las precauciones en cuanto a co rriente de fugas e impedancia de en trada citadas en el apartado anterior. Las características típicas para inter faces de entrada N P N son las indicadas en la tabla 8.2.
Finura 8.9. Detalle de conexión de un detector de proximidad NPN a una entrada CC-NPN.
8.4.3. Entradas de CA Las interfaces de entrada para ten siones de mando en alterna suelen cu-
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INTERFACES D I KNTRADA/tALIDA
brir la gama de tensiones normalizadas de 24, 48. 110-125, 220-250 V, v En al gunos autómatas se dispone también de módulos de entrada que acoplan márgenes muy amplios de tensión que van desde 12 a 48 V (( o de 100 a 250
T RA N SFO RM A D O R AUMENTACIÓN MANDO
Vtv Las interfaces para entradas de C A incorporan casi siempre el aislamiento galvánico, por lo que el esquema de principio mas típico es el que se mues tra en la figura 8.10. Puede observarse en dicho esquema que la tensión de entrada es rectificada en la interfaz y que ésta dispone de un filtro R C de entrada. Las constantes de tiempo suelen estar comprendidas en tre los 10 y los 20 ms (algo mayores que en las interfaces de corriente con tinua). La interfaz suele agrupar varias en tradas con un terminal común, de for ma que los interruptores y otras señales de campo puedan utilizar un hilo co mún de retomo. La fuente de alimen tación para las entradas será, en este caso, una tensión alterna obtenida de un transformador de mando o direc tamente de red, aunque por motivos de seguridad es preferible la primera so lución. La presencia de tensión en cada una de las entradas suele estar indicada por un diodo L E D , facilitando la compro bación y mantenimiento del equipo. La tabla 8.3 da los valores típicos de ¡os parámetros más relevantes de una interfaz de entradas binarias para co rriente alterna. Cabe resallar, en este tipo de inter faces, los grandes márgenes de tensión de entrada que admiten tanto en el ni vel «0» como en el nivel «1». Obsér vese, por ejemplo, que una interfaz para tensión nominal de 220 V admite como nivel «0» cualquier tensión entre 0 y 70 V, y como nivel «1» cualquiera entre 180 y 260 V. 8.5. S A L ID A S L Ó G IC A S Las interfaces de salida de tipo lógico son. como se ha dicho, aquellos que conectan el A P con los acccionamienlos del proceso tales como relés, electroválvulas, etc. Una característica co mún a todos ellos suele ser que dis ponen de un «bulTer» o registro, donde el procesador escribe una sola vez por
I________________________________________________________________ I
Figura S.K). Conexión de interruptores a una interfaz de entradas de C.4. ciclo el valor 1 o 0 según corresponda por programa. Asi, el mencionado regis tro constituye el bloque lógico de en lace entre la lógica interna y la interfaz. Atendiendo a distintas características podemos clasificar las interfaces de sa lida en diferentes grupos: — Según los componentes utilizados como salida podemos distinguir dos grandes grupos: • Interfaces de salida estáticas: Éstas emplean algún tipo de se miconductor para conmutar la salida Según la naturaleza de la tensión de salida pueden clasi ficarse en: Rara corriente continua. El con mutador de salida es un tran sistor a colector abierto con dos variantes posibles, según la polaridad: Salida P N P o lógica posi tiva. Salida N P N o lógica nega tiva.
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- Para corriente alterna. El con mutador de salida suele ser un triac o un par de tiristores en antiparalelo. • Interfaces de salida por relé: Este tipo de interfaz es válido tanto para corriente continua como para alterna y proporcio na siempre un aislamiento gal vánico entre la salida y la lógica interna. Es, sin duda, el tipo de salida más empleado en los AP. — Según la separación galvánica en tre el circuito de salida y la lógica interna podemos clasificar las in terfaces en: • Salidas acopladas directamente. • Salidas con aislamiento galvá nico. Al igual que se dijo para las entradas, es poco frecuente utilizar salidas sin aislamiento galvánico, aunque en este caso se emplean algunas veces salidas a colector abierto no aisladas que ata can placas de relés externas, que se s¡-
Tipos de CA
C A R A CTERÍSTIC AS Núm ero de entradas/módulo
4. 8. 16 o 32
Separación galvánica
S Í (optoacoplador) Grupos de 1, 2. ‘ u 8 entradas
Terminal común
24 V
Tensión nominal de entrada
> 12 V
— Margen estado 1
48 V > 30 V
110-120 V
220-250 V
> 74 V
> 154 V > 10 mA
— Corriente estado 1 (típica) - Margen estado U
> 8 mA < 5 V
> 15 m A < 15 V
> 8 mA < 20 V
Corriente estado 0 (típica)
< 3 mA
< 6 mA
< 4 mA
1-1,5 kU
2-2,5 kíl
5-10 kQ
Impedancia entrada (típica)
entre It y 20 nts entre 15 y 25 ms
Retardo de 0 a 1 Relardo de 1 a 0
30 a 60 kQ
M ínim a resistencia de luga para interpretar estado 0 Máxima resistencia de linea
Típico 500 Q
Máxima longitud linea sin apantallar
Típico 100 m
Aislamiento entre canales
Típico 2500 V, 4
Aislamiento vs. bus
Típico 2500 V r , 5 a 55"C
Temperatura de trabajo
Tabla 8.3. Características tipo de entradas de CA. lúan muy próximas al chasis dei au tómata. Este tipo de montaje tiene la ventaja de la fácil intercambiabilidad de los relés. El conjunto es prácticamente idéntico a una interfaz de salida por relés. La configuración, prestaciones y campo de aplicación de cada uno de los tipos de interfaces se verán a conti nuación.
Finura 8.11. Interfaz de salidas CC-PNP (no aislado).
8.5.1. Salidas de CC PN P La característica esencial de las sa lidas de C C P N P es que trabajan con lógica positiva. Esto indica que cada sa lida suministra en estado I una tensión positiva respecto al extremo común de las cargas. La configuración típica de cada salida es la de un transistor P N P a colector abierto (figuras 8.11 y 8.12), con pro tecciones de inversión de polaridad (D2) y diodo de inversa ( D I) para car gas inductivas. Admiten, por tanto, como carga: bobinas de relés, solenoides, contadores de impulsos de tipo electromagnético o electrónico, etc. Pueden disponer de aislamiento gal vánico o no, aunque en este último
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< 70 V < 5 mA 1.5-5 k£2
INTIRFACK9 D i IN T R A D A /IA LID A
caso no suelen emplearse para gober nar elementos de campo, sino para ata car otros bloques lógicos situados en el propio chasis o muy próximos a él. La conexión de las cargas y la fuente de alimentación, debe efectuarse como Mgue (figuras 8.11 y 8.12): — Se deben unir por un extremo to das las cargas. Este extremo se co noce como común de cargas y debe conectarse al polo negativo de la fuente de alimentación de E/S. — El otro extremo de cada una de las cargas se conecta a los distin tos terminales de salida de la in terfaz (S I. S2,..., S„). — Internamente, en la interfaz, va rios circuitos de salida comparten dos extremos comunes, los polos positivo y negativo de la fuente de alimentación. Cada salida dispo ne, además, de un terminal indi vidual (S I, S2 S„) conectado al colector, que en estado 1 sumi nistrará una tensión positiva res pecto al común de cargas. Obsérvese que en caso de no existir aislamiento galvánico, se sigue em pleando una fuente externa para las E/S, pero en este caso (figura 8.11) el polo negativo de dicha fuente queda conectado a la línea de 0 V de la lógica 'ntema, con el consiguiente riesgo de acoplamiento de ruido electromagné tico. Las características más destacables de las salidas estáticas a colector abier to, comparadas con las de relé, que se estudian más adelante, son las siguien tes: — M ayor velocidad de respuesta, permitiendo actuar sobre conta dores rápidos u otros elementos electrónicos. — Ausencia de desgastes mecánicos. — Menor volumen ocupado. — Permiten protección de cortocir cuito a base de bloquear el tran sistor de salida (salidas cortocircuitables). — Caso de no estar protegidas contra cortocircuito, son más sensibles a puntas de corriente en la carga. — Menor capacidad de carga de la salida.
Figura 8.12. Interfaz de salidas C'C-PNP
153
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gativa respecto a) extremo común de las cargas. La salida consiste en un transistor N P N a colector abierto (fi gura 8.13), con las correspondientes protecciones de inversión de polaridad de alimentación (D2) y diodo de su presión de corriente inversa para cargas inductivas (D I). Las salidas N P N pue den también construirse con aislamien to galvánico o no. La conexión de las cargas y la fuente de alimentación es distinta de la de las salidas PN P, y debe efectuarse como sigue (figura 8.13): — Se deben unir por un extremo to das las cargas. Este extremo (co mún de cargas) debe conectarse al polo positivo de la fuente de ali mentación de E/S. — El otro extremo de cada una de las cargas se conecta a los distin tos terminales de salida de la in terfaz (S I, S2 Sn). — Internamente, en la interfaz, va rios circuitos de salida comparten
dos extremos comunes, que van conectados a los polos positivo ,\ negativo de la Cuente de alimen tación. Además, cada salida dis pone de un terminal propio (S I, S2,..., S„), conectado al colector del transistor correspondiente. Las ventajas e inconvenientes de este tipo de salidas con respecto a las de relé son las mismas que se comentaron en el apartado anterior y sus características tipo se resumen en la tabla 8.4. 8.5.3. Salidas por relé Este tipo de interfaz contiene un relé por cada salida ( K „ K.,, ... K„ en la fi gura 8.14). La bobina de dicho relé está gobernada por el sistema lógico del A P y sus contactos se encuentran dispo nibles en bornes externos, constituyen do las salidas propiamente dichas. Por lo general, cada salida consta de un solo contacto normalmente abierto, o a lo sumo de un contacto conmu
tado. Es frecuente que varios contactos compartan un terminal común (C O M ). tal como indica esquemáticamente la figura 8.14. En algunos casos, el contacto de sa lida está protegido mediante un cir cuito R C o un varistor (M O V ), para evitar que las perturbaciones que pue dan producirse en el circuito exterior afecten a la lógica interna. Cada salida suele llevar también un L E D de se ñalización y. en algunos casos, se dis pone de algún sistema de conexión ma nual. Todo ello facilita enormemente las tareas de puesta en marcha y man tenimiento del equipo. Las características técnicas más re levantes de este tipo de interfaz, pueden verse en la tabla 8.5. junto con las de las interfaces estáticas de C A. La com paración con otros tipos de interfaces se ha incluido en 8.5.1 y 8.5.4, Como se ha dicho, las salidas por relé proporcionan un aislamiento gal vánico entre los elementos de manio bra externos y la lógica interna del AP.
La fuente de alimentación para los ele mentos de maniobra ligados a los con tactos de los relés debería ser total mente independiente de la del AP. Las exigencias de calidad de dicha fuente son mínimas, admitiendo amplias to lerancias de tensión y rizado. No obs tante, si se alimenta el autómata (220 V f A o 110 V ( A) del mismo transfor mador de mando que la maniobra y dada la proximidad de los contactos y la lógica interna en la interfaz, es con veniente colocar circuitos RC a las bo binas de los contactores externos para evitar perturbaciones. 8.5.4. Salidas estáticas de CA Las interfaces de salidas estáticas para corriente alterna emplean como conmutador de salida un triac. un par de tiristores en antiparalelo o un puen te rectificador cortocircuitado por un tiristor. Todos ellos suelen disponer de aislamiento galvánico y de un L E D para indicación de su estado. En algunos ca-
Tabla 8.4. Carac terísticas tipo de las salidas de CC PNP y NP.\. C A R A C T E R IS T IC A S
Número de salidas/módulo
CC tipos PN P o NPN
Separación galvánica
4. 8, 16 o 32 S í (oploacoplador) o NO
Terminal común
Grupos de 4 u 8 entradas
Tipo Tensión de alimentación Rizado tolerable Tensión de salida Corriente de salida
PN P
NPN 15 a 30 V u 5 a 30 V (<
15 a 30 V ,, 5 a 30 V n 10%
10%! — resp a común
+ resp a común 100 mA a 1 A
Corriente residual (a 0)
0,1 m A a 0,5 m A
Caída de tensión (a 1) Tiem po de respuesta
0.2 V a 1.5 V
100 mA a 1 A 0,1 m A a 0,5 mA 0,2 V a
|,5 V
— Estado 0 a 1
100 a 200 //s
100 a 200 ps
— Estado 1 a 0
200 a 500 ps
200 a 500 ps
10 a 100 Hz
10 a 100 Hz
2 a 5 Hz
2 a 5 Hz.
Frecuencia máxima de trabajo - Carga óhmica — Carga inductiva Protección cortocircuito Protección de inversión de polaridad alimentación L E D indicación de estado
Según tipos pueden incorporarla
Aislamiento entre canales Aislamiento vs. bus
Típico 1500 V, A (sólo optoacoplados) Típico 1500 V, , (sólo optoacoplados)
Aislamiento vs. red
Típico 1500 V , ,
E n general SÍ, mediante diodo En general S í
Temperatura de trabajo
5 a 55"C
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INTIMACIS DI INTRADA/fALIDA
precisa de una corriente de salida ele vada en estado I Ambas exigencias suelen ser incompatibles y, por tanto, hay que utilizar la interfaz adecuada en cada caso.
8.6. ENTRADAS/SALIDAS ANALÓGICAS
O io d o do in v e r s o P ro le c c ió n de in v e r s ió n de p c a n d o d
( o p c io n a l)
Figura 8.13. interfaz de salidas CC-NPN (aislado!.
sos disponen también de algún circuito de protección de cortocircuito, que blo quea la salida en caso de que la carga absorba más corriente de la permitida. Tomando como base de compara ción las salidas por relé, podemos se ñalar las siguientes ventajas e incon venientes de las salidas estáticas:
— — — —
I 'enlajas: — M ayor rapidez de conmutación. — Ausencia de desgaste mecánico, permitiendo accionar cargas que realizan un elevado número de maniobras/hora. — Cierre al paso por cero de tensión y apertura al paso por cero de la corriente, eliminando al máximo las perturbaciones en la linea. — Tamaño más reducido Inconvenientes: — Más sensibles a sobrecargas, con difícil protección. — Más sensibles a perturbaciones en
—
la alimentación (ruidos y fenómenos parásitos). Caída de tensión en estado de paso del orden de 2 V. Ligera corriente de fugas en es tado de bloqueo. Mayor disipación de potencia y, por tanto, calentamiento. Menor flexibilidad para mezclar varias tensiones de mando. Aptas sólo para ciertos márgenes de tensión.
Las características típicas de las sa lidas estáticas de C’A pueden verse en la tabla 8.5. comparadas con las salidas por relé. Puede observarse la necesidad de ti pos distintos de salidas estáticas según la tensión de mando y la corriente de fugas. Asi. por ejemplo, las salidas con excesiva corriente de fuga en estado 0 no resultan aptas para accionar lám paras de neón o para pequeños relés, mientras que en otras aplicaciones se
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No todos los autómatas programables son capaces de manipular señales analógicas, pero es frecuente que exis tan módulos de ampliación para los ti pos compactos o tarjetas analógicas en los tipos de rack, que si son capaces de tratar dichas señales. Paralelamente dichos autómatas in corporan ciertas funciones de software (programación), especificas para tratar este tipo de señales y que permiten controlar valores máximos y mínimos de ciertas variables del proceso, realizar cálculos aritméticos o incluso funcio nes más complejas para control P1D, aplicables a servoválvulas. servomoto res. control de temperatura, etc. El procesamiento de datos dentro del A P es enteramente digital, como co rresponde a lodo sistema basado en un microprocesador y, por tanto, las se ñales de tipo analógico deben ser pre viamente digitalizadas para que puedan ser procesadas. Así pues, para el tratamiento de se ñales analógicas será preciso ante lodo convertir dichas señales a la forma di gital. Dicha forma digital consistirá en representar la magnitud de la variable analógica por un número codificado en forma binaria o en forma B C D (D e cimal Codificado en Binario) Recíprocamente, si el A P debe su ministrar al proceso variables o señales de regulación continuas, deberá pre viamente convertir los datos internos en forma binaria o B C D a magnitudes de tipo analógico. E l proceso de adaptación que sufren las señales analógicas, tanto a la entra da como a la salida, viene resumido en la figura 8.16. Téngase en cuenta que, en general, no se tratará de las mismas señales, sino que el autómata procesará las señales de entrada y elaborará otras de salida, combinando entradas y va riables internas y procesándolas con los algoritmos adecuados. Las funciones de multiplexado y
byte o una variable numérica expresada en forma binaria con ii bits, en una ten sión o una corriente cuyo valor sea pro porcional al valor numérico de dicha variable numérica. La información digital, dentro del autómata, puede presentarse en diver sos códigos de numeración, pero lo más frecuente es que para la conversión D/A venga expresada en código binario puro y, en el caso de números nega tivos. éstos se expresan en comple mento a dos (véase anexo II. relativo a sistemas de numeración y códigos al fanuméricos). En cualquiera de los dos casos de berá efectuarse la conversión de una palabra binaria de // bits en un valor analógico, que supondremos inicial mente que es de tensión. 8.7.1. Convertidores unipolares Se denomina convertidor D /A uni polar aquel cuya entrada es una palabra digital sin bit de signo, por lo tanto la salida será una tensión analógica que va de cero a un valor máximo, pero siempre con el mismo signo. El bloque básico para efectuar dicha conversión es el convertidor de código binario a una tensión analógica, cuyo valor en función de la palabra binaria vendrá dado por la siguiente expresión:
8.14. Interfaz de salidas por relé. conversión A /D y D /A indicadas en la figura son precisamente unas de las funciones esenciales que realizan las interfaces de E/S analógicas. Las señales que aparecen en el con trol de un proceso proceden, en ge neral. de diversos tipos de sensores (en tradas), con rangos de variación muy diversos y deberán aplicarse a distintos tipos de reguladores (salidas), que exi girán en cada caso un margen de va riación distinto. Evidentemente, dada la variedad de sensores con que po demos encontramos, seria preciso dis poner de un gran numero de interfaces especiales para cada caso. Con objeto de poder disponer de interfaces están dar. parte de la manipulación de la se ñal se realiza exteriormente al AP, me diante amplificadores y otros adapta dores de señal específicos y de uso más o menos estandarizado dentro del cam po de la instrumentación, de manera que la señal del sensor se convierte en
una señal de tipo normalizado que sue le ser de uno de los siguientes tipos:
V , - V m (B ,-2 ' +
+ fíi •2 — Señales Señales — Señales — Señales
de de de de
0 0 0 4
a a a a
10 V. 5 V. 20 mA. 20 mA.
En los apartados siguientes se estu diarán con mayor detalle los distintos bloques de cada una de las interfaces. Aunque parezca un contrasentido, em pezaremos por la conversión D/A, que es la que se emplea en las interfaces de salida, ya que la conversión A/D de entrada emplea, por lo general, un sis tema realimentado que incluye tam bién un convertidor D/A.
8.7. C O N V E R S IÓ N D/A La conversión D / A consiste en transformar una información digital, un
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2 ’ +...+
+ B, ■2 ")
(8.1)
Siendo: fí,„ B,„ ... , B 2. B t. los bits de la palabra binaria a convertir, es de cir, los unos o ceros de la palabra bi naria. B„ es el bit más significativo (M S B ) y S| el bit menos significati vo (L S B ). VHh es una tensión de re ferencia que, como se verá, se emplea en el circuito de conversión. Como puede verse de la expresión anterior el peso del bit más significa tivo. B„, es de 1/2; el del siguiente, bit es 1/4; y así sucesivamente hasta el bit menos significativo B , cuyo peso es 1/2 ". Al margen de la escala, los pesos de cada uno de los bits conforme se avanza del L S B al M S B se van mul tiplicando por 2. como corresponde al sistema de numeración binario. El esquema del convertidor D/A para conseguir una salida como la indicada
-----------------------
IN TSRFA CIS 08 8NTRADA/9ALIDA
por l;i ecuación (8.1) consiste simple mente en un sumador analógico donde cada bit controla la entrada de tensión en una rama de suma, conectándola a I o a O medíanle un conmutador d¡g tal. según que el bit sea I o O (figura 8 17). Los pesos de cada bit se consiguen dando a cada rama una amplificación 1/2 de la anterior, siendo la amplifi cación del bit más significativo (M S B ) de 1/2 v la del bit menos significativo (L S B ) de 1/2". Otra posible configuración del con vertidor D/A es la basada en una red de resistencias R. 2R. que se representa en la figura 8.18 y que se basa en la propiedad de dicha red de dividir la co rriente por 2 en cada uno de los nudos, dando a cada bit, por tanto, un peso 1/2
del anterior, empezando por el M S B que liene un peso de 1/2. Los conmutadores digitales, que se han dibujado, tanto en la figura 8.17 como en la 8.18. como interruptores, son en realidad conmutadores estáticos a base de transistores M O S El valor máximo de tensión analó gica a la salida se dará cuando todos los bits sean «I». Para una palabra de ii hits, dicho valor máximo sería el si guiente: •
+2
~
*
un
<2
r=\/2. La suma de dicha serie. V„. pue de obtenerse por la fórmula:
La expresión entre paréntesis co rresponde a una serie geométrica de primer término .\j—1/2 y de razón
1/2")
-12'
Para dicho convertidor de ii bits, se obtiene, por tanto, una tensión máxima de salida cuando todos los bits son I: =
(8.4)
La forma de la tensión de salida ob tenida en la conversión D/A, al ir in crementando de unidad en unidad la entrada digital, no es continua, ya que la señal digital de entrada es de por sí
Tabla 8.5. Características lipa de las salidas de CA por relé y estáticas. C A R A C T E R ÍS T IC A S
Número de salidas/módulo
CA tipos R E L É Y E S T Á T IC A
Separación galvánica
4 o 8 S í (optoacoplador)
Terminal común
Grupos de 4 u 8 entradas
Tipo Tensión de alimentación
RELÉ
E S T Á T IC A
Hasta 380 V (A
Sobretensión tolerable
10%
Hasta 250 V ,A 10%
Conexión a paso por cero
NO
Sí
1 a 2 A carga R 10 A (40 ms máx.)
1A a 2 A 20 A (200 ms máx.)
Corriente de salida Intensidad transitoria
permite protección de cortocircuito 2 mA a 5 mA
NO
Corriente residual (a 0)
sólo fuga de R C NO
3 V a 5 V
Típico 15-20 ms Típico 15-20 ms
máx. 10 ms
Caida de tensión (a 1) Tiempo de respuesta — Estado 0 a 1 — Estado 1 a 0
máx. 10 ms
Frecuencia máxima de trabajo — Carga óhmica — Carga inductiva
10 a 25 Hz
5 a 15 Hz 1 a 5 Hz
10 a 25 Hz
L E D indicación de estado
En general S Í
Aislamiento entre canales
Típico 1500 V, A (sólo oploacoplados)
Aislamiento vs. bus
Típico 1500 V rA (sólo oploacoplados)
Temperatura de trabajo
5 a 55'C
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( XA)
( 1- 1/2 )
K ( 8 .2 )
(I-/)
1/ 2 ( 1
+
2 ")
V, •( I-/")
-V„ =
AUTÓM ATAS PftO O RAM ABLKS
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INTIRPACIB D I KNTRADA/BALIDA . *3a' iA' .'rV’V v/c „• 1i
otras más lentas o incluso para ciertos tipos de convertidores, tu' como se verá más adelante, Para realizar estas funciones, las in terfaces de entradas analógicas suelen disponer de dos bloques antes del con vertidor A/D propiamente dicho: — U n amplificador de ganancia pro gramable. Un circuito de muestreo y man tenimiento (Sample & Hold). En los apartados siguientes estudia remos cada uno de estos bloques, asi como los tres tipos básicos de conver tidores A/D : Obsérvese que, como era de esperar, el número -1 da un valor de salida ana lógico igual a la mínima resolución, es decir, igual al número +1 cambiado de signo.
Vs (S a lid a a n a ló g ica )
8.8. CONVERSIÓN A/D E n tra d a d i g it a l
Figura H.19. Tensión DIA.
de
salida de un
convertidor
[n—1) bits restantes actúan como en un convertidor D/A unipolar, dando va lores de salida analógica entre 0 y + VKtf ( I —2 ")/2. Cuando el M S B es 1 (números ne gativos), la salida debida a éste es nula y la debida a la polarización sitúa el origen a una tensión de salida 2. Los (n—1) bits restantes actúan como en un convertidor D /A unipolar. Por tanto, la salida analógica será:
La conversión A/D tiene por objeto la transformación de señales analógicas de tensión o corriente en datos nu méricos que, por lo general, se obten drán en código binario. El proceso de conversión requiere, en general, que la señal analógica haya sido previamente tratada para conseguir dos objetivos: — Adaptación al fondo de escala, con objeto de aprovechar al máximo la resolución del convertidor. — Mantener el valor de la señal constante mientras dura la con versión. Esto es especialmente ne cesario para señales de variación rápida, pero puede no serlo para
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— Convertidores basados en conta dores binarios. — Convertidores de aproximaciones sucesivas. — Convertidores de doble rampa de integración.
8.8.1. Adaptación de señal y circuito de S&H La interfaz de entradas analógicas puede incorporar un amplificador de ganancia programable, que consiste esencialmente en un amplificador operacional con varias resistencias de realimcntacion, conectadas a través de un mulliplcxor analógico (apartado 8.9), tal como muestra la figura 8.21. Esto per mite fijar la amplificación de la señal de entrada por software, sin más que seleccionar una de las resistencias a tra vés de los bits de selección de canal del multiplexor. Una vez adaptada la escala de la se ñal de entrada, tanto los convertidores
muestreo y en el mantenimiento de su tensión mientras dure la conversión. 11 circuito básico es el representado en la figura 8.23. En dicha figura puede ob servarse que durante la fase de rnucstreo se tiene S I cerrado y S2 abierto. El condensador C se carga a través de un seguidor de tensión con una ¡mpedancia baja, lo cual contribuye a que dicha carga se efectúe en un tiempo muy corto. Durante la fase de man tenimiento se bloquea S I y se cierra S2, con lo cual se pretende evitar la posible fuga del condensador, ya que A2 sigue actuando cómo un seguidor de tensión con baja impedancia de salida.
Mu1t»ple*or
8.8.2. Convertidores basados en contador Figura 8.21. Amplificador de ganancia programable. basados en contadores como los de aproximaciones sucesivas realizan un muestreo de la señal analógica como paso previo a la conversión. Como con secuencia de ello se obtienen sólo va lores puntuales de la magnitud conti nua. E n realidad la señal continua que da aproximada por una señal escalo nada, tal como puede verse esquema tizado en la figura 8.22. E l circuito de muestreo, denominado abreviadamente S & H («Sample and Hold»), adquiere el valor puntual de la señal analógica y, posteriormente, lo mantiene mientras dura la conversión. Dicho circuito está basado en la carga de un condensador durante la fase de
a) Convertidores a base de contador uni direccional. Este tipo de convertidores constan básicamente de un contador binario, un convertidor D/A como realimenlación y un amplificador operacional que compara la magnitud de la entrada analógica con el contenido del conta dor a través del convertidor D /A (fi gura 8.24). E l funcionamiento del sistema es el siguiente: Se da una señal de inicio de conversión, que pone el contador a cero y lo habilita para que entren los im pulsos de reloj. A partir de esto el con tador va incrementando su valor a cada impulso de reloj y el comparador com prueba si el valor del contador es ma yor o menor que la señal analógica de entrada. Mientras sea menor se per mitirá la entrada de nuevos impulsos
Figura 8.22. Muestreo de las señales analógicas.
R -A A / V —
ESTA D O
SI
M UESTREO
____
M A N TEN ER
Se^al real
11niii ii.i í lili W p e r io d o
-
de
R e loj
m u e s tr e o
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_____
Figura 8.23. Circuito de muestreo y mantenimiento ISA II). de reloj, pero cuando el contador llegue a superar el valor de la entrada se in hiben los impulsos de reloj y se genera una señal de fin de conversión. El con tenido del contador en este instante será la palabra binaria que representa a la magnitud analógica de entrada. Obsérvese que por este método se obtiene siempre un valor digital por ex ceso, con un error máximo igual a la resolución del convertidor D/A. es de cir: resolución — Valor de
LSB = VB
( 8 .8 )
Lógicamente el valor de la entrada debe ser inferior o, a lo sumo, igual al valor máximo de salida del convertidor D/A, de lo contrario el comparador no encontrará nunca el fin de conversión. Es decir, según la ecuación (8.4): <
Señal rnoestrearia
S2
_
E*,, -(1-2-*)
(8.9)
Eligiendo precisamente una escala en la que el valor máximo de la señal de entrada sea se obtiene la máxima resolución relativa en porcen taje de E,. Si la señal E,may es inferior a E iUM, se obtendrá una resolución re lativa menor:
R E S (% E ,) = 100 • Vre' ' 2 &\ma\
( 8 . 10)
La máxima resolución relativa refe-
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INTERFACES D I IN TRA D A /SA LID A
Durante el segundo intervalo de in tegración:
(N T E G R A D O R
— Ih
COMPAR ADOR T A B L A CO NTRO L
*5 V
5 i 52
lj n ♦I
SI
52
0
C en ad o
Abierto
\
Abier to Cen cido
e
„— ' RC
*"
RC
e0 V
-v,(r
p --i rv i i/ r I___I
r I -ENABLE 0 BLOQUEO
Igualando ambas ecuaciones se ob tiene el valor de T
CK
CONTROL
SI, SJ
CO NTAD OR Qml
Qn
Qt
R ELO J RESET
INICIO CONVERSION
J m s b |l s b
T2- T ' F L A N C O DE B A JA D A > IN D IC A F IN DE C O N V E R S IÓ N
P R E S E T INPUTS .
BUFFER
(8.13)
pE
"L V „,d l
PRESET EN A BLE
Figura S,2S. Convertidor A/D de doble rampa de integración. de convertidor. Los mas importantes son: — Un contador binario de a+1 bits. Siendo n el número de bits de sa lida del convertidor A/D. — Un integrador analógico con dos entradas seleccionadas mediante un conmutador estático de tipo M O S (S I y S2). — Un sistema de control del con mutador, que conecta S I y des conecta S2 mientras el bit de más peso del contador sea 0 y conmuta a la posición contraria cuando el bit más significativo del contador sea 1. — Un conjunto comparador-inversor cuya salida es 1 lógico mientras la salida del integrador sea un valor positivo y 0 lógico cuando la sa lida del integrador sea cero o ne gativa. El funcionamiento del sistema puede verse esquematizado en la propia figura 8.28 y es el siguiente: La señal de inicio de conversión provoca una puesta a cero del contador, con lo cual se cierra el interruptor S I. En esta fase se integra la señal de entrada analógica. Tan pronto como la señal del integrador sale de cero, el comparador da salida 1 y permite la entrada de impulsos de reloj al contador, que contará de 0000.„0
hasta 0111... 1 (tiempo 7j en la figura 8.28), Mientras tanto la salida del in tegrador habrá pasado de cero a E„. E l siguiente impulso de reloj hará pa sar el contador de 0111... 1 a 1000...0, con lo cual el conmutador cambia de estado, desconectando S I y conectando S2 y la entrada del integrador será aho ra una tensión de referencia fija, Vm , de signo contrario a la tensión de en trada. Esto hará que el integrador em piece una rampa descendente hasta que alcance el valor cero, en cuyo instante la salida del comparador pasará de 1 a 0 inhibiendo la entrada de impulsos de reloj. Este proceso de integración con signo contrario durará un tiempo 7j, que depende del valor E„ alcanzado en la fase previa. Durante el tiempo T2 el contador habrá estado contando im pulsos de reloj de una frecuencia fija, siendo, por tanto, su contenido al final lxxx...x, donde la parte xxx...x es pro porcional a 7j. Se pueden, pues, plan tear las siguientes relaciones: Durante el primer intervalo de in tegración se obtiene la siguiente ecua ción, en la que es el valor medio de la señal de entrada en el intervalo 0-7j: dt =
r, RC ( 8 . 12)
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(8.14)
' un
Dado que los n bits bajos del con tador contienen, al final de la conver sión, un número proporcional a 71, como se ha dicho anteriormente, y a su vez 7j es proporcional al valor me dio de la señal de entrada, según se de duce de la ecuación (8.14), deducimos que el contador contendrá en código digital un número que corresponde a la conversión A/D de la señal analógica de entrada. Este es un tipo de convertidor muy utilizado en las interfaces de entrada de los autómatas programables, puesto que en muchos casos se trata con se ñales lentas y. además, al obtener un valor promedio durante un intervalo, es idóneo para eliminación de ruidos alea torios que puedan estar superpuestas a la señal.
8.9. IN T E R F A C E S PARA EN T R A D A S A N A LÓ G IC A S Las interfaces de entrada de tipo ana lógico para autómatas programables suelen disponer de varios canales de entrada agrupados, pero, salvo casos es peciales, no se utiliza un convertidor para cada canal, sino que se utiliza un solo convertidor para un conjunto de entradas analógicas. Para ello es preciso que en cada momento sólo una de ellas esté conectada al convertidor, realizán dose la conversión de forma cíclica, una tras otra. El esquema de bloques de una in terfaz de entradas analógicas completa para n canales puede verse en la figura 8.29, donde se ha supuesto la existencia de una serie de transductores analó gicos cuyos datos deben ser procesados por la unidad central, pudiendo ésta se-
Figura S.29. Interfaz de entradas analógicas. leccionar en cada momento el canal que se desea leer y, en algunos casos, Incluso el factor de escala a aplicar. La función de conectar varios ca nales de entrada a un solo convertidor se realiza mediante un multiplexor ana lógico, que consiste básicamente en un conjunto de interruptores estáticos de tipo M O S gobernados por un decodificador que selecciona en cada mo mento el cierre de uno de ellos. La fi gura 8.30 muestra el esquema de prin cipio de uno de estos bloques. Como puede verse en dicho esquema, el mul tiplexor sirve además de adaptador de impedancias, gracias al seguidor de ten sión de salida que evita la pérdida de señal debida a la resistencia de los pro pios conmutadores M O S. La unidad de control puede seleccionar el canal que se quiere explorar a base de enviar una dirección, A,...Am a la entrada del mul tiplexor y este se encarga de conectar con el canal correspondiente, tal como
Tabla
iV.fi.
puede comprobarse en la tabla de ver dad correspondiente (tabla 8.6). Las interfaces de entradas analógicas más comunes trabajan con señales nor malizadas de 0 a 10 V o de 4 a 20 mA, pero algunas familias de autómatas de gama alta disponen también de laijetas específicas para tipos concretos de transductores (termopares, encoders, etc.). Este tipo de interfaces, llamadas «dedicadas», se estudiarán en el capí tulo siguiente. A título orientativo, en las tablas 8.7 a 8.9, de las siguientes páginas se in dican los tipos y características más re levantes de algunas interfaces de en tradas analógicas comerciales. Como criterio general, los parámetros más re levantes a comprobar en cada aplica ción son los siguientes: — Márgenes de tensión o corriente de entrada. — Impedancia de entrada
Tabla de verdad de un multiplexor analógico de ocho canales.
D IR EC C IÓ N \ 1 A 2 A3
ES T A D O D E LO S C O N M U T A D O R E S SI S2 S3 S4 S5 Sb S7 S8
EN TRA D A S E L E C C IO N A D A
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Figura /i. JO. Esquema de principio de un multiplexor analógico. — Nivel de aislamiento entre entra das y unidad de control y entre entradas entre sí. — Resolución, que dependerá del número de bits del convertidor. — Tipo de conversión A/D. — Polaridad de la señal de entrada (conversión con signo o sólo valor absoluto). — Tiempo de adquisición del dato. — Precisión o margen de error. — Precauciones de instalación (lon gitud y tipo de cables). — Exigencias de fuente de alimen tación.
INTERFACES DE ENTRADA/SALIDA
Tubla 8.7. Características de algunas interfaces de entradas arialónicas Siemens. D A T O S T T C N IC 'O S Entrada analógica
6ES5 460-4IJ A 12
6ES5 465-4(1A 12
6E S 5 465-411 12
Cantidad de entradas
8 entradas tensión/intensidad o bien 8 entradas lerru resistencia
16 entradas (ensión/inlcnsidad o bien 8 entradas lerm resistencia
4 entradas Icnsión/inlensidad
Pl 100
Pl 100
Separación galvánica
si
no
Márgenes de entrada (valores nominales)
+ 12,5 m V (sólo en 460-4); ¿ 50 mV. j 500 mV; Pt 11)0: ± I V : * 5 V; t III V; 20 mA: *-4...20 mA Márgenes de entrada seleceionablcs para cada 4 canales mediante mó dulos de margen de medida
0...I V. 0...I0 V. 0...20 ni A +4 JO mA para transmisores de medida de 2 y 4 hilos
Resistencia de entrada en los diferentes márgenes
12.5 mV; 50 mV: 500 mV:
>10 M U Pt 100: ¿ 10 MQ > 10 MQ I V: 90 kQ: 0.2"). > 10 MQ 5 V: 50 kQ; 0.2%
I V: 2 10 MQ; 10 V: 90 kQ; 20 mA: 50 Q 4 ..20 mA: 62,5 Q
Conexión del emisor de señal
Conexión
de2 hilos: 4 hilos para Pl 100
Representación digital de la señal de entrada
12 bits i signo o 15 bits en complemento a 2
II bits en complemento a 2
(2048 unidades 2 valor nominal)
(1024 unidades ¿ valor nominal)
Principio de medida
integral
integral
Principio de conversión
conversión tensión/tiempo
conversión tensión/frecuencia
Tiempo de integración (ajustahlc para supresión óptima de perturbaciones)
20 ms para 50 Hz 16% ms para 60 11/
20 ms para 50 Hz 16% ms para 60 Hz
Tiempo de codificación (es posible codificación elemental)
±
máx.
60 ms nara 50 11/ 50 ms para 60 Hz
10 V: 20 mA: 4...20 mA.
50 kü. 0.2% 25 0.1% 51,25 U: (1.1%
íi.
Conexión de 2 hilos
20 ms para 50 Hz 16% ms para 60 Hz
referido al valor nominal
Tiempo de ciclo para 4 entradas
20 ms para 50 I Iz. 16% ms para 60 Hz
8 entradas 16 entradas
0.48 s para 50 II?
0.48 s para 50 I Iz 0,96 s para 50 llz
Tensión admisible entre entradas o entre entradas y punto central de puesta a tierra (lim. destrucción)
máx.
18 V o 75 V para máx 1 ms y relación de exploración 1:20
50 V o 75 V para máx i ms y relación de exploración 1:10
Tensión admisible entre potencial de referencia de un emisor sin separación galvánica y el punto central de puesta a tierra
máx,
DC 75 V /AC 60 V
D C 75 V/A C 60 V
± I V
Aviso de falta si hay — desbordamiento de margen — rotura de hilo en cable emisor de señal
para 200% del valor nominal (4095 unidades) proyectablc en el margen 5(1 mV, 500 mV y Pt 100
para 150% del valor nominal no
Supresión de interferencias para /•=»:■(50/60 Hz 1%); 1. 2 en modo común (l/< < I V ) — en modo normal
100 dH 40 dH
80 dB 40 dB
±
mín. min.
86 dB 40 dB
(valor cresta de la interferencia < valor nominal del margen) (.imites de error básico ') (a 20°C)
12.5 mV: ± 0.2% Pl 100: i 0.2% 50 mV: 0.2% 1 V: ± 0,35% 500 mV: 0.15% 5 V £ 0.35%
10 V 20 mA: 4..J0 mA:
± 0.35% + 0,25% ± 0.25%
0.11%
Limites de error práctico ') (0°C a 60°C; para I año)
12.5 mV: 0,6% Pl 100: ± 0.5% 50 mV: + 0.5% 1 V; + 0,77% 500 mV: ± 0.45% 5 V: + 0.77%
10 V 20 mA: 4 . 20 mA:
± 0.77%
0,57%
fc 0,67%
Longitud del cable (apantallado)
± i ±
máx.
200 m; 50 m a 50 mV
dr 0.67%
2011 m
Entrada liberación (como para salidas analógtcus)
+24 V
+24 V
Tensión de alimentación (como para salidas analógicas)
+24 V
+24 V
Fuente intensidad constante para Pt 100
2.5 mA
Consumo — interno (5 V ) — extemo (24 V)
tip
tip
0.15 A 0,1 A
0.15 A
0,2 A 0,15 A
Espacio necesario
1 puesto de montaje
I puesto de montaje
Concctor frontal
42 polos
42 polos
0,4 kg
0,4 kg
Peso
¡iprox
ti Según DIN 43.745; referido ul valor nominal del margen de medida (5 V provenientes de la fuente de alimentación),
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8.10. IN T E R F A C E S PARA S A L ID A S A N A LÓ G IC A S * V (s a lid a s )
Vcc ÍTTL í
Las interfaces de salida analógicas permiten enviar al proceso señales de regulación o para instrumentación, em pleando, por lo general, las mismas se ñales normalizadas que se indicaron en el apartado 8.6. La figura 8.31 muestra un diagrama de bloques elemental de un canal de salida analógica. La C P U del autómata enviará los datos en forma numérica a la salida correspondiente y es la inter faz la que dispone de un convertidor D/A por canal. Aunque no es general, la interfaz puede disponer de un am-
DATO.
= > l a tch
o
Registra
D/A
O Am ptif icado r co n o is la m ie n to -V (salidas)
. GND
I
I_____________________________________ j F 7 Figura 8.31. Interfaz de salida analógica.
Tabla 8.8. Características de algunas interfaces de entradas analógicas Télémecanique. TSXAKM411
TSXAEM4I2
TSXAF.M4U
TSXAEM811
TSXAEM821
4
4
± 10 V
± 50 mV 0/50 mV J K T R S B E > 10 MQ
8 ± 10 V ± 5V 0/10 V 0/5 V 2/10 V 0/2 V 0,4/2 V 0/20 mA 4/20 mA — > 10 MQ
8 ± 10 V
± 5V 0/10 V 0/5 V 2/10 V 0/2 V 0,4/2 V 0/20 V 4/20 mA > 1U MQ
4 ± i v 0/1 V 0,2/1 V Pt 100 (°C ) Pt 100 (°F )
Resolución Error ± 10 V 25°C 0/10 V 4/20mA Te Sonda Error ± 10 V 0-60°C 0/10 V 4/20 mV Te Sonda Realimenlación • modo serie • modo común
16 bits 0.12% PE 0.12% PE 0,22°/. PF. — 0.28% PF. 0.28% PE 0.32% PE — -
16 bits 0.11% PE 0,36% PE —
22 dB 100 dB
Características dinámicas
Tps restitución Banda pasante
Características generales
Protección contra sobretensión Aislamiento • entre vías • vía/bus
Designación Gama de entradas
Número de vías Gamas
Alim. captador Imped. entradas Características estáticas
—
—
1 mA ± 0,1% > 10 MQ 16 bits — — -
—
0/10 V — — — —
0/20 mA 4/20 mA _ > 10 MQ
0,22% PE — — — 0.58% PE
16 bits 0,11% PE 0,11% PF. 0.21% PF. — — 0.26% PE 0.26% PE 0.36% PE — —
16 bits 0,23% PE 0,17% PE 0,24% PE _ —
30 dB 100 dB
22 dB 100 dB
22 dB 100 dB
_
< 15 ms 4 Hz
< 10 ms 1 Hz
< 10 ms 4 Hz
< 15 ms 4 Hz
< 15 ms 80 Hz
± 30 V
± 30 V
± 30 V
± 30 V
± 30 V no
1500 V, A 1000 VtA
1500 V, A 1000 V , A
1500 VrA 1000 v (.A
500 V, A 500 Vr ,
—
Pl* Plena Escala
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0.3% PE 0.24% PE 0,48% PF. _ —
70 dB
750 V, A
C0M
plif'icador de salida con aislamiento gal vánico y, a veces, de una salida que puede seleccionarse enlre 0-10 V. 020mA o 4-20 niA. En algunos autómatas de gama alta,
forma manual mediante las señales IN C R y D E C R , que permiten variar la salida analógica a efectos de prueba o para control manual del proceso. A titulo orientativo, en las tablas 8.10
el registro de entrada de datos puede ser un contador bidireccional con au tonomía propia, de forma que la salida puede gobernarse de forma automática, cargando datos del bus del AP, o en
Tabla 8.9. Características de algunas interfaces de entradas analógicas OMRON. Modelo
Num. tic entradas
3G2A5-AD001
2 pts
Margen de entrada
4 a 20 mA. 1a 5 V
3G2A5-AD002
0 a 10 V
3G2A5-AD003
0 a 5 V
3G2A5-AD004
-10 a 10 V
3G2A5-AD005
-5 a 5 V
3G2A5-AD006
4 pts
4 a 20 m A, 1 a 5 V
Resolución
Velocidad de conversión
1/4096 (ple
2,5 ms máx./pt
Tiempo de búsqueda del PC 1 s máx.
Palabras de E/S requeridas 2
na escala)
1/1023 (ple
2,5 ms máx./pt
4
na escala)
Datos conver tidos 12-bits binarios
10 bits binarios
Corriente consumida
PC apli cables
500 mA máx.,
C500 C 1000II
5 V „.
C200011
750 mA máx., 5 V
3G2A5-AD007 C500-ADI01
0 a 10 V 8 pts
0 a 20 m A, 0
1/4096
10 ms máx./pt
a 10 V
C200H-AD001
4 pts
4 a 20 m A, 1
1/4000
2,5 ms máx/pt
a 5 V o 0 a 10 V 3G2A6-AD00I
2 pts
1/4096 (ple
a 5 V
na escala)
0 a 10 V
3G2A6-AD003
0 a 5 V
3G2A6-AD004
-10 a 10 V
3G2A6-AD005
-5 a 5 V
3G2A5-AD006
4 pts
4 a 20 m A. 1
3G2A6-AD007 C IK - A D
2,5 ms máx./pt.
1/1023 (ple na escala)
2.5 ms máx./pt
4 a 20 m A, 1
I/2S6 (ple
20 ms máx./pt
a 5 V
na escala)
a 5 V
2o 4
12 bits
880 niA
seleccio-
binarios
máx., 5 V cr
10 ms + l exploración
10
12 bits
550 m A
binarios
máx..
nable)
1 s máx.
C200H
5 Vtr
(para 4 pts)
4 a 20 m V, 1
3G2A6-AD002
80 ms + 1 exploración (para 8 pts)
2
4
12 bits
500 m A
binarios
máx., 5 V„
10 bils
750 m A
binarios
máx., 5 V«
C120
0 a 10 V 1 pt
20 ms + 1
1 entrada,
8 bits
250 ni A
C‘20K(P)
exploración
1 salida
binarios
máx., 5 V„
C40K{P)
C28K(P) C60K(P)
C4K-AD
4 pts
20 ms + 1 exploración (80 ms+2 exploraciones para 4 pts).
167
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AUTÓM ATAS M tO O RAM ASLKS
Tabla X. III. Características de algunas interfaces de salidas analógicas Siemens. Salida analógica 470-4UA
6ES5 470-4LIA12
8 salidas, ± 10 V , 0...20 m A con separación galvánica Salida analógica 470-41JB 8 salidas, ± 10 V con separación galvánica
6ES5 470-4LIB12
Salida analógica 470-41JO
6F.S4 470-4UCI2
8 salidas, + 1...5 V , + 4.,.20 mA con separación galvánica Las instrucciones de Servicio están contenidas en el Manual Periferia U (E G ). Conector frontal 497 conexión lipo pinza, anchura simple, 42 polos conexión lipo pinza, anchura doble, 42 polos
6ES5 497-411A 12 6ES5 497-4UA22
conexión por tomillo, anchura simple. 42 polos conexión por tornillo, anchura doble, 42 polos
6ES5 497-4UB31 6ES5 497-4LIBI2
DATOS TECNICOS Cantidad de salidas
8 salidas de tensión e intensidad
Separación galvánica
sí (pero no las entradas entre sí)
Márgenes de salida (valores nominales) - 7ES5 470-4UA12
± 10 V ; 0...20 mA
- 6ES5 470-4LIB12
± 10 V
- 6ES5 470-4UC12
+ 1...5 V ; +4...20 mA
Resistencia de carga — para salidas de tensión
min.
óhmica pura 3.3 kQ
— para salidas de intensidad
máx.
300 Q
Conexión de la carga
Respecto de conexión a 0 V
Representación digital de la señal de salida
12 bits en complemento a 2 (1024 unidades £ nominal)
Sobrecontrol admisible
aprox.
25% (hasta 1280 unidades)
Tiempo de conversión
1 ms
Protección contra cortocircuitos
si
Intensidad de cortocircuito
aprox.
25 m A (para salida de tensión)
Tensión de marcha en vacío
aprox.
18 V (para salida de intensidad)
Tensión entre potencial de referencia de la carga (conexión 0 V ) y la carcasa del aparato
máx.
60 V t.,/75 V „
Límites de error básico' (a 20°C)
± 2°/oo i
Límites de error práctico (0 a 60°C; para 1 año)
± 6%o
Longitud de cable (apantallado)
máx.
200 m
Entrada de liberación Tensión de entrada valor nominal
+24 V
— para liberación
+ 13...33 V -33...+5 V
— para bloqueo Int. entrada lliberación) Long. cable (sin apantallar)
tip. máx.
5 mA 200 m
Tensión de alimentación — valor nominal
+24 V
— rizado U „
3.6 V
— margen admisible (inclusive rizado) valor para i < 0,1 s
máx.
' DIN 4.1745
168
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20...30 V 36 V
2 unidades
valor
IN T tltFA C tf D I IN TKAD A/SALID A
i
DATOS TÉCNICOS Consumo — interno (5 V ) — externo (24 V )
lip. lip.
0.25 A 0.3 A
Espacio necesario
1 puesto de montaje
Concclor frontal
42 polos
Peso
aprox.
0.4 kg
Tabla 8.10. (Continuación).
a 8.12, de las siguientes páginas se in dican los tipos y características más re levantes de algunas interfaces de salida analógicas comerciales. Como criterio general, los parámetros más relevantes a comprobar en cada aplicación son los siguientes:
— Posibilidad de salidas multivalentes 0-10 V, 0-20 mA o 4-20 mA. — Margenes de tensión y/o corriente de salida. — Impedancia de salida. — Protección contra cortocircuitos. — Nivel de aislamiento entre salidas
y unidad de control y entre salidas entre sí. - Resolución (que dependerá del número de bits del convertidor D /A) Limites de error. — Posibilidad de doble polaridad de
Tabla 8.11. Características de algunas interfaces de salidas analógicas Tclémccanique. Designación
TSX AST 2IKI
T SX ASR 200
TSX ASR 401
TSX ASR 402
TSX ASR 403
2
2
4
4
4
± 10 V
± 10 V —
—
—
-
—
— -
—
0/20 ni A
0/5 V 0/20 mA
— — -
—
—
4/20 mA
4/20 mA
-
500 Q mín. 650 £2 máx.
500 Q mín. 650 £3 máx.
1 k£2 niln. —
4/20 mA -
4/20 mA —
300 £2 máx,
300 £2 máx.
256 puntos 40 m V (0/I0V)
4 0 % puntos 2.5 m V (0/10V)
4006 puntos
4006 puntos
5 mV
4 pA
4006 puntos 4 ¡jA
-
± 0.1% P E
± 0,264. P E ± 0.2% P E -
± 0.1% P E (*) i 0,1% P E (*)
—
± 0,45% P E
1 0.3% P E ± 0,3% P E r »
± 0,541. P E —
± 0,45% P E
+ 0.3% P E (*)
-
± 0,541. P E
Tiempo restitución
< 15 ms
< 10 ms
< 20 ms
< 20 ms
< 20 ms
Características
Alim. salidas
por autómata
por autómata
24 V exterior
Protección Aislamiento
por autómata cortocircuito
por autómata
generales
cortocircuito
cortocircuito
detec. corte línea
detec. corte
1500 V,, 50/60 Hz
500 V,, 50/60 Hz
500 V.,
500 % 50/60 Hz 750 V * 50/60 Hz
Gam a de salidas
Número de vías
-
Gamas
-
± 5 V 0/10 V
0/10 V -
Carga
tensión corriente
Características
Resolución
estáticas
Valor L S B Error ± 10 V a 25°C
0/10 V 4/20 mA
F.rror O-ólPC
± 10 V 0/10 V 4/20 mA
Características
± 0,3% P E
—
-
—
± 0.3% P E —
+ 0.3% P E -
—
— + 0,541. P E
dinámicas
• entre vías • via/bus
no 1500 V d
1500 V d
750 V *
50/60 Hz 750 V „
50/60 Hz
50/60 Hz
50/60 11z
50/60 Hz
(*> Módulo rcc.ilibrado en su gama de utilización.
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linca
AUTÓM ATAS PÜO O RAM ASL1S
Tipo
Número de vías
Tipo
Gama señal de salida
Referencia
Peso lig
A lio nivel
2 vías
Tensión Corriente
0/10 V 0/20 m A 4/20 mA
T S X A S R 200F
1.250
Tensión
0/10 V 0/5 V 5 V 10 V
T S X A S R 200F
1.250
Corriente
0/20 m A 4/20 ntA
4 vias
Tensión
0/1OV
T S X A S R 40IF
1.200
Alto nivel 12 bits
4 vias
Corriente
4/20 m A
T S X A S R 402F
Alto nivel
4 vías
Corriente
4/20 ni A
T S X A S R 403F
8 bits Alto nivel 12 bits
Alto nivel
2 vías
11 bits + signo
12 bits
1.200
(alim, externa)
Tabla 8.11. IContinuación.! Interfaz y acopladores salidas analógicas.
Tabla 8.12. Características de algunas interfaces de salidas analógicas OMRON. Modelo
3G2A5-DA00I
Número de entradas 2 canales
Margen de entrada
4 a 20 m A, 1 a 5 V
Resolución
1/4096 (fondo
Velocidad de conversión
5 ms máx.
Palabras de E/S requeridas 2
Datos convertidos
12 bits
de escala)
Corriente consumida
PC apli cables
550 m A máx., C500 5 V cc
C1000H C2000H
3G2A5-DA002
0 a 10 V
3G2A5-DA003
0 a 5 V
3G2A5-DA004
-10 a 10 V
3G2A5-DA005
-5 a 5 V
C500-DAI01
C200H-DA00I
4 canales
2 canales
4 a 20 m A. 1 a
1/4096 (fondo
5 V o 0 a 10 V
de escala)
4 a 20 m A, 1 a
1/4096
5 V o 0 a 10 V 3G2A6-DA00I
2 canales
1/4096 (fondo 5 ms máx.
0 a 5 V
3G2A6-DA004
-10 a 10 V
3G2A6-DA005
-5 a 5 V
12 bits
(10)*
12 bits
2
12 bits
canal
de escala)
3G2A6-DA003
1 canal
2,5 ms máx./
5 V 0 a 10 V
4
4 a 20 m A. 1 a
1/256 (fondo
5 V
de escala)
1,3 A máx., 5 Vr,
4 a 20 m V. 1 a
3G2A6-DA002
C IK - D A
10 ms máx.
650 ni A máx., 5 V«
C200H
500 m A máx., CI20 5 V„
20 ms máx./canal
1 entrada y 1 salida
8 bits
250 m A máx., 5 V (,
C20K(P) C28K(P) C40K(P) C 60KIP)
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salida (conversión con signo o sólo valor absoluto). - Posibilidad de control manual/au tomático. - Exigencias de instalación: fuente de alimentación, longitud de ca bles, etc.
8.11. R E S U M E N En este capítulo hemos dado una vi sión general de los bloques de interfaz de los autómatas. Como se ha dicho en otras partes de este texto, el autómata se diferencia de otros sistemas progra mables precisamente por la potencia de
su sistema de entradas/salidas, que le permite un enlace fácil con la mayor parte de sensores y actuadores indus triales. No es extraño, pues, que muchos sis temas de control complejos dispongan de un computador central, con gran po tencia de cálculo, pero que utilicen como elemento de interfaz con pro cesos industriales un autómata progra mable. Precisamente la conexión tan directa entre el autómata y los elementos de potencia del proceso a través del sis tema de entradas/salidas, hace que és tas deban ser diseñadas cuidadosamen te, para poder soportar las duras con
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diciones ambientales y de entorno a que se ven sometidas. Como se ha di cho. un 90% de las averías de un au tómata están relacionadas directamente con los circuitos de E/S. A lo largo del capítulo hemos podido ver la gran diversidad de módulos o tarjetas de interfaz disponibles, com parando sus características y campo de aplicación. Se han explicado los prin cipios de funcionamiento de los tipos de interfaces principales, tanto lógicos como analógicos. En capítulos sucesi vos podremos ver aún que dispone de otros muchos tipos de interfaces de dicados a funciones específicas, algu nos de ellos incluyendo su propia C PU , pero lo básico del sistema de E/S del autómata se ha dicho aquí. Se ha resaltado también la impor tancia de separar las fuentes de ali mentación de la lógica interna y de los bloques de E/S, con objeto de aislar los circuitos sometidos a fuertes pertur baciones de aquellos sensibles. En el capítulo 18 se insistirá sobre el citado tema, dado que muchas veces el éxito de una instalación depende esencial mente de la buena elección del sistema de E/S.
8.12. R E F E R E N C IA S [1| Tobey G E., Graemc J G., iluclsman I P Operalional Amplifica: Design and applicalions. McGraw-Hill (Serie Burr-Brown, 1971). (2) Catálogos de autómatas S IE M E N S tipos S-IOOU. S-I15U, S-135U y S-I50U. |31 Catálogos de autómatas T É L É M E C A N IQ U E tipos TSX-17. TSX-47. |4) Catálogos de autómatas OM RON.
9. INTERFACES ESPECÍFICAS 9.1.
IN T R O D U C C IO N
A diferencia de las entradas/salidas estándar, aptas para conectar el autó mata con señales genéricas digitales o analógicas, las interfaces especificas permiten la conexión con elementos o procesos particulares de la planta, rea lizando funciones que van desde la lec tura directa de termopares hasta la pre sentación de sinópticos y control SCAD A, pasando por regulación, posicionamicnto de ejes, etc. Estas interfaces específicas están dis ponibles para autómatas modulares de gamas media y alta, máquinas que exi gen, por su mayor campo de aplicacio nes, mayor personalización que los mi cro y míniautómatas. Aunque a todas estas interfaces se les denomina, en general, específicas por lo concreto de la función que rea lizan, se pueden distinguir entre ellos tres grupos bien diferenciados: — Entradas!salidas especiales, — Entradas/salidas inteligentes v — Procesadores periféricos inteligen tes.
O N /O F F sobre variables de planta, en funcionamiento transparente para la C PU . Las consignas y controles necesarios son enviados por el programa de usua rio, desde la C P U principal. De esta forma se descarga de trabajo a la unidad central, y se mejora indi rectamente su capacidad de direccionamiento, al abrirse la posibilidad de acceder a señales de entrada/salida que no tienen por qué aparecer en la me moria imagen de aquélla. E l tercer grupo de interfaces espe cificas, con características diferenciales propias, es el de los procesadores pe riféricos inteligentes, tarjetas o módu los que incluyen su propio procesador, memorias y puntos auxiliares de en trada/salida. Estos procesadores contienen en ori gen un programa o intérprete de pro grama especializado en la ejecución de una tarea concreta, al que le basta co nocer los puntos de consigna y los pa-
— condiciones de aplicación, que de finen las condiciones de entorno, — consignas a seguir, — condiciones de control, que defi nen la respuesta según la evolu ción del proceso. El conjunto de estos valores, envia dos al periférico desde la unidad de programación o desde la C P U princi pal, se denomina programa de la inter faz. Nótese, sin embargo, cómo, en
Fieura 9.1. Tipos de interfaces especificas. E/S
Las interfaces del primer grupo se caracterizan por entregar o recibir se ñales particulares, bien por su forma, bien por su aplicación, pero sin incluir en ningún caso control sobre variables de planta, sino sólo tratamiento de la señal para hacerla inteligible a la C P U (interfaces de entrada), o a la planta (interfaces de salida). Este tratamiento está predeterminado y no es modificable por el usuario, que únicamente puede actuar, bien por instrucciones de programa, bien mediante microinterruptores o «micro switchs» extemos, sobre los modos de trabajo y sobre al gunos parámetros (escasos) de la tar jeta. Las entradas/salidas inteligentes ad miten, en cambio, múltiples modos de configuración, ordenados por progra ma, y disponen de salidas binarias con troladas desde la misma tarjeta, lo que permite implementar lazos de control
rámetros de la aplicación para ejecutar, de forma autónoma e independiente de la C P U principal, el programa de con trol. A diferencia de las entradas/salidas inteligentes, que limitan a unos pocos los parámetros necesarios para su fun cionamiento (funciones muy especia lizadas), los procesadores periféricos, de uso más general, necesitan más in formación para definir, no sólo la con figuración del periférico, sino además:
E S P E C IA L E S
E/S
IN T ELIG EN T ES
PROCESADORES PERIFERICOS
MEMORIA D E PARA M ET R O S
<
O E- O O 2y 5
¡EmS 2 2
y_ O X t« —Q
rsi
UJ O o a en £> z 7 o 9
p-.UlO
UJ
£ °í?
,1
CE
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>
< p ü
a
UJ
O
T T Contiqurcicio'n manual PROGRAM A, PARÁMETROS DE 4¡ CONFIGURACIÓN
C O N SIG N AS
PARAMETROS DE CONFIGURACIÓN
SALIDA DATOS ENTRADA DATOS
<= RESULTADOS V A RIA BLES DE CONTROL
« Configurncion por p ro g ra m a
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PARÁM ETROS DE ,CONFIGURACIÓN
I I I I
ENTRADA DATOS
ENTRADA DATOS <= RESULTADOS VARIADLES DE CONTROL
INTiRFACIS ISMCÍnCAS
modo estricto, no se está programando sino parametri/ando la tarjeta. L.a llgura 9.1 muestra los diagramas simplificados de los tres tipos de in terfaces. resallando las diferencias entre unos y otros. Algunas de estas tarjetas, de uso más frecuente, son descritas en el presente capitulo.
9.2. ENTRADAS/SALIDAS ESPECIALES Frente a las entradas/salidas de uso general, que conectan el autómata con señales estándar de planta, las entra das/salidas especiales permiten la in terfaz con elementos sensores o actuadores que entregan o reciben señales particulares, bien por su forma, bien por su aplicación. La selección de los rangos de entra da/salida y de los modos de funcio namiento se realiza mediante microinterruptores integrados en el módulo, o, eventualmente, mediante parámetros enviados por programa, limitándose la comunicación con la C P U desde este momento al intercambio de datos de entrada/salida. Si se ha de decidir al guna acción respecto a estos datos, fue ra de las evidentes de adaptación, fil trado y tratamiento específico, la res ponsabilidad corresponde siempre a la C PU . Estas interfaces están disponibles so bre tarjetas o módulos de expansión para su conexión en autómatas mo dulares, aunque dadas sus ventajas y facilidad de uso las más frecuentes co mienzan también a aparecer sobre au tómatas compactos. Un repaso rápido de entradas/salidas especiales nos podría mostrar las si guientes: — — — — — — —
9.2.1. Entradas/salidas multiplexadas Las interfaces multiplexadas incluyen en el mismo módulo líneas de entra da/salida y líneas de habilitación o «strobe», de forma que la combinación lógica entre señales leídas/escritas y se ñales de habilitación proporciona una lista de M = (I ■h
señales binarias de entrada/salida, siendo ti el número de lineas de da los, y /; el número de lineas de habili tación. Las lincas de datos se conectan en
Entradas/salidas multiplexadas. Detectores de umbral analógico. Medidas de temperatura. Contadores rápidos. Adaptadores de señal. Convertidores binario/BCD. Interfaces de señales A S C II, et cétera.
Las características y aplicaciones de estas interfaces se describen a conti nuación.
JR 3
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paralelo a los sensores o captadores d . proceso, agrupados por bloques, mien tras que las lincas de habilitación se leccionan cuál de estos bloques esta ac tivo en un momento dado. De esta for ma, pueden leerse/escribirse muchas señales lógicas con unas pocas líneas físicas de entradas/salidas. La figura 9.2 muestra el esquema de principio de una interfaz de entradas multiplexadas. El ejemplo muestra cómo utilizando sólo 8 puntos E/S pueden leerse 16 se ñales de entrada. Las líneas de datos son comunes a los cuatro bloques de interruptores, pero la información leída sólo es válida para uno de ellos, aquel
AUTÓM ATAS M IO O R A M A B U S
que tenga la linea de habilitación activa en ese instante. La frecuencia de barrido o «sean» es generada por la propia interfaz, y es in dependiente del tiempo de ciclo de eje cución del programa. Los diodos de inversa se colocan para bloquear las posibles corrientes inver nas que podrían desvirtuar la lectura. Por ejemplo, si 1NT 1, 1NT 5 e IN T 8 están cerrados, y no están conectados los diodos, se leerían a nivel alto los datos D I y D4 cuando se activara la linea de habilitación H l. resultando una lectura errónea al indicar el cierre de los interruptores IN T 1 e IN T 4. Las interfaces de entradas multiplexadas se usan, por ejemplo, para lec turas de teclados, de preselectores BC D . etc., o, sencillamente, para au mentar el número de entradas lógicas del autómata. Con un principio de funcionamiento semejante, las interfaces de salidas multiplexadas se utilizan para enviar información a dispositivos que acepten señales de la forma datos + habilita ción, por ejemplo, visual izadores de siete segmentos. Las señales multiplexadas no se mantienen en los bornes de salida, sino que aparecen de forma fugaz, jun to con la correspondiente señal de ha bilitación, por esta razón, y para una interfaz de salidas, si el usuario quiere mantener la información que va en viando al exterior debe utilizar algún elemento de memoria externo al au tómata, por ejemplo relés auxiliares automantenidos. En algunos autómatas, estas opera ciones de multiplexado de entradas y demultiplexado de salidas no se reali zan con tarjetas especiales, sino con in terfaces E/S estándar y funciones de control de programa, que indican qué >neas se dedicarán a datos, y cuáles se rán de habilitación. En este caso, la fre cuencia de barrido está ligada al ciclo Ce ejecución del programa, por lo que z solución puede no ser utilizable si este es excesivamente largo. La figura 9.3 muestra una conexión de este tipo, con el autómata IZ U M I J I N I O R FA-2J, para visualización de Jatos numéricos de 4 dígitos sobre vijalizadnres con decodificador BCD/7 ;-gmentos incorporado, utilizando sólo 8 lineas de salidas.
S A I IDAS
DE T R A N S IS T O R
D íg ito in te r io r
D íg ito s u p e r io r
Figura 9.3. Salida de información numérica en formato RCÍ) multiplexado. La instrucción D IS P L A Y n. del jue go de instrucciones del autómata, con vierte la información de un registro in terno en cuatro dígitos BC D , y los en vía secuencialmente, uno por cada dos ciclos de ejecución, al octeto de salidas que comienza en la dirección n: n a n + 3 serán salidas de habilitación, y n + 4 a n + 7 salidas de datos BC D . En conclusión, y como muestran los ejemplos, el empleo de interfaces mul tiplexadas aumenta la capacidad de d¡reccionamiento de E/S del autómata, pero el principio de operación por ex ploración o por barrido («sean») secuencial de estas interfaces incrementa los tiempos de ciclo de la aplicación. 9.2.2. Detectores o comparadores de umbral analógico Los detectores de umbral realizan una lectura de señal analógica y la com paran con valores límite predefinidos por el usuario mediante programa o elementos exteriores a la tatjeta (po tenciómetros, fuentes de tensión, etc.): el resultado de la comparación es se ñalizado con diodos L E D en el mó dulo, y enviado a la C P U como bit de estado interno, donde será leído por consulta o por interrupción. La tarjeta
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puede limitarse a señalizar esta com paración, o puede también realizar con versiones A/D y D /A para su proceso por la C PU . Las entradas de umbral se utilizan en aplicaciones donde no interesa conocer tanto la evolución de una variable ana lógica, como su posición respecto a un valor de referencia o consigna, por ejemplo para detección de puntos de alarma, regulación todo-nada (ONO F F ), etc. La señal analógica de entrada puede aparecer como un nivel de tensión o corriente genérica, o proceder de sen sores de temperatura con termopar o PtlOO. La figura 9.4 muestra el esquema de una tarjeta de umbral T S X A D T de Télémecanique. de doble entrada (dos vias). En el esquema se aprecia un adap tador de entrada, que convierte el nivel de señal exterior en otro estándar para la tarjeta, y dos detectores de umbral con histéresis por canal, para asegurar una buena inmunidad al ruido. A cada canal esta asociado un bit de estado, transmitido al procesador, y un piloto indicador en la taijeta. El umbral A puede ser ajustado me diante el potenciómetro situado en el
■
INT1RFACI9
■
f S M C ÍF lC A S
frontal de la tarjeta, o por medio de una fuente de tensión externa conectada a la regleta de bornes. Aunque la función de comparación a umbral podria realizarse mediante programa, utilizando una entrada ana lógica estándar, los detectores de um bral presentan dos ventajas sobre éstas:
P la n to
In te rfa z
C PU
— Menor precio, al simplificarse la interfaz por la ausencia del con vertidor A/D y circuitos asociados. — Mayor rapidez de respuesta, al comparar sobre señal analógica y ahorrarse los tiempos de conver sión. 9.2.3. Medidas de temperatura
Figura 9.4. Detector tic umbral analógico TSX
La detección de temperatura se rea liza por procedimientos muy diversos, pero, en general, siempre de forma in directa, midiendo el cambio de alguna propiedad física con los cambios de temperatura (generalmente cambios de resistencia o dilatación). Los sensores más utilizados son los termopares y las termorresistencias PtlOO. Los termopares están basados en el efecto Seebeck, que consiste en la ge neración de una tensión de contacto que aparece entre dos metales unidos por un extremo (unión caliente), cuan do se somete este punto a una cierta temperatura, mientras los otros extre mos (unión fría) se mantienen a una temperatura inferior. Los materiales más usados como ter mopares, así como sus principales ca racterísticas, se muestran en la tabla 9.1 i véase también apartado 7.11). La tensión de contacto que se genera en el termopar depende de la diferencia Je temperaturas entre la unión fría y la unión caliente:
V = / (T t - Tt)
En un termopar real los extremos fríos estarán unidos a conductores de cobre estándar, y también aqui, por el mismo principio, aparecerá una tensión eléctrica. Para que la tensión de salida sea pro porcional a la temperatura en el punto de medida (unión caliente), debe eli minarse el efecto perturbador que in troduce esta tensión de unión fría, bien manteniendo constante la temperatura de la unión, bien compensando la f.e.m. a que darían lugar sus variacio nes mediante un circuito interno. Dado el coste que supone mantener constante la temperatura en la unión fría (se necesitaría un regulador espe cífico para ello) y el escaso margen de variación de la misma (de decenas de grados), se prefieren compensar estas variaciones, a partir de una medida en ese punto, utilizando un termistor o una termorresistencia como transduc tor. Las termorresistencias PtlOO están basadas en el aumento de resistencia
Tabla 9.1. Tipos de termopares. Materiales
Tipo
Constante termoeléctrica
Rango de temperaturas
Característica
NiCr-Consl. Fe-Const.
E J K
0,075 niV/"C 0.057 m V/"C
0 - 1000"C 0 - 1200"C
0.041 ntV/"C 0,012 m V/"C
0 - 1300’C 0 - I600"C
Sensibilidad Robustez Duración
0,052 m V A C
0 - 400 nC
NiCr-Ni PtRh-Pi Cu-Consl.
R. S T
-i/)7
NOTA. Ü4 abreviación Ooiw, se hu utilizad»» para Constantfin. aleación con $8^1 de Cu y
Estabilidad M uy estable
42“i' de Ni
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de Tétcmecanique. que presenta un conductor con la tem peratura. según una ley del tipo:
R,
= R„ |1 + a
(T,
-
r„)I
donde a se denomina coeficiente tér mico de resistencia. Aprovechando esta propiedad, es po sible obtener sensores de temperatura construidos a base de platino, material cuyo coeficiente térmico vale 0,00385 ohm/ohml’C en las sondas industriales. Puesto que estas sondas se construyen con valor nominal de 100 ohm a 0"C, se las conoce con el nombre de resis tencias PtlOO. Los valores de resistencia de las son das PtlOO para distintas temperaturas se muestran en la tabla 9.2 y. gráficamen te, en la figura 9.5. Siendo las termorresistencias ele mentos pasivos, necesitan una alimen tación exterior para suministrar una se-
Figura 9.5. Gráfica resistencia /temperatura Je una PtUH).
Temperatura „c
Resistencia ohm
Tolerancia nhm
-220"C' —2U0"C
10.41
± 0,7
18,61
-IOO"C
60,26
± 0.5 ± 0,3
- 20"C Q"C
89.3 100,0
± 0.14 ± 0.1 ± 0.13
20"C
111.3
lotrc
+ 0,25
200"C 300"C
138,5 175,84 212,03
400"C' 50()"C
247.08 280,99
± 0.85
700-C
345.26
± LO ± 1.35
850"C
390,38
± L5
+ 0,45
± 0.65
Tabla 9.2. Resistencia de ana sonda l’tlllfl
ñal variable según la temperatura a que se encuentren sometidas. Esta alimen tación puede consistir en una fuente de corriente constante de forma que la tensión leída en extremos de la resis tencia se convierte en una medida di recta de la temperatura (conexión a cuatro hilos), o una tensión medida en las ramas de un puente de Wheatstone, con la PtlOO colocada en una rama. Asi, la tensión de desequilibrio entre ramas dará una indicación de la temperatura (conexión a tres hilos). El empleo de tres o cuatro hilos pretende eliminar los errores introducidos por la resis tencia adicional del cable de conexión en la planta, como se indicará más ade lante. Las características generales de estos sensores de temperatura son las si guientes: • T ER M O PA R ES: - Transductores activos (no nece sitan excitación externa). - Baja sensibilidad (poca tensión de salida). - Dimensiones reducidas (respues tas relativamente rápidas). - Amplio rango de medida. Robustos, económicos y fiables. • R E S IS T E N C IA S PTKIÜ: - Transductores pasivos (necesitan una corriente externa). - Dimensiones muy reducidas. - Excelente linealidad de la res puesta.
Aunque existen en el mercado adap tadores capaces de entregar una señal normalizada en tensión o corriente a partir de una entrada de termopar o PtlOO, el extendido uso de estos sen sores ha impulsado a los fabricantes a desarrollar interfaces específicas para ellos, que permitan su conexión in mediata al autómata. Estas interfaces se denominan unidades de medida de temperatura, tarjetas analógicas adap tadas para la conexión directa con lermopares y PtlOO. La interfaz incluye todos los ele mentos auxiliares necesarios para esta conexión: compensación de unión fría pura la entrada por termopar. o puente diferencial/fuente de corriente para la conexión de la PtlOO a tres/cuatro hi los. El tratamiento asociado comprende la linealización de la respuesta según el tipo de sensor, la vigilancia de los valores limite del rango de entradas, y la conversión de la medida al código binario que se entrega a la C PU . Las tarjetas señalizan los defectos de funcionamiento (señales fuera de rango o roturas de hilo) mediante diodos L E D incorporados, además de activar ciertos bits internos que son enviados a la C P U junto con la conversión A/D realizada. Los módulos comerciales suelen in cluir varios canales de entrada (por ejemplo, cuatro), que pueden ser o no habilitados mediante programa o mi cro interruptores externos. Es importan te esta habilitación para evitar retardos inútiles de conversión A/D sobre ca nales no utilizados. La figura 9.6 muestra varios ejemplos de conexionado de termopares y ter morresistencias a taijetas de medida de temperatura. Las tarjetas de entrada a termopar incluyen la resistencia de compensa ción de unión fría sobre el bloque de terminales de la propia tarjeta (unión fría). No debe eliminarse ni sustituir esta resistencia por otra de distinta re ferencia so pena de alterar las lecturas de temperatura. La salida del termopar debe llevarse hasta este bloque de terminales me díante los conductores de compensa ción adecuados (según modelo de ter mopar), que no introducen ninguna tensión termoeléctrica adicional.
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Como se observa en la figura 9 r apartados h y r, la conexión de ter morresistencias a tres o cuatro hilos e. mina el error introducido por la resis tencia adicional del cable de conexión, al colocarlo en serie con un amphficador de alta impedancia de entrada (cuatro hilos), o a ambos lados del pun to de medida del puente equilibrad (tres hilos). En este último caso, la fun ción de transferencia resultante es no lineal, pero el error puede ser com pensado en la linealización de la res puesta por tratamiento interno en tarjeta.
INTIKFACCS K t n c in c A S
Las entradas de termopar no utili zadas deben ser cortocircuitadas, al igual que la salida de corriente y lectura de tensión en la conexión de Pt 100 a cuatro hilos. Para los canales PtlOO a tres hilos, deberá cortocircuitarse el punto común C - C \ y colocarse una resistencia de 100 Q entre los puntos A - C. E l valor binario recibido por la C P U puede ser procesado por el programa de usuario y utilizado, por ejemplo, para cerrar lazos de control de tem peratura. como muestra la figura 9.7. 9.2.4. Módulos de contaje rápido Es posible medir multitud de mag nitudes tísicas (tiempos, frecuencias, velocidades, distancias, caudales, etc.) mediante trenes de impulsos obtenidos utilizando sensores digitales de bajo coste: detectares de proximidad, codi ficadores («encoders»), fotocélulas, etc. Estos trenes de impulsos pueden ser lijos o variables pero, en cualquier caso, las altas frecuencias utilizadas (nece sarias para mejorar la precisión) impi den su lectura desde las entradas di gitales estándar del autómata, limitadas en su tiempo de respuesta por el ciclo de ejecución y por filtrado de entrada. Para la lectura de estos impulsos de alta frecuencia se utilizan los conta dores rápidos (apartado 5.8), módulos de hardware independientes de la C P U que cuentan de forma asincrona al pro grama utilizando sus propias entradas, específicas para esta aplicación. Los módulos de conlaje rápido in cluyen en su interior dos o más de es tos contadores rápidos, que pueden ser oarametrizados para establecer el modo de operación: — contaje/descontaje, - uso o no de entrada exterior de habilitación, - posibilidad de disponer los con tadores en cascada, — cuenta binaria o en B C D , etc. En su versión más sencilla, estos mó dulos registran únicamente los valores Je cuenta, que son consultados perió dicamente por la C P U : es el programa de usuario quien determina la secuen cia de órdenes a ejecutar cuando se al canza un determinado valor.
En otras versiones, la tarjeta puede aceptar un valor de cuenta o consigna desde la C P U , reaccionando de forma autónoma cuando lo alcanza para bo rrar o cargar un bit de estado interno, o para enviar una señal de interrupción al procesador central. De esta forma, los módulos pueden utilizarse para tareas sencillas de posicionamiento, si es aceptable el retar do de respuesta debido a la secuencia de operación resultante: 1. 2. 3. 4.
alcance de la preselección, señalización de alcance en la C PU , reacción del programa de usuario, activación de las salidas de mando
Como se verá en el apartado siguien te, es muy frecuente que los módulos de contaje rápido incluyan sus propias salidas de mando, sobre las que tienen control directo cuando alcanzan deter minados estados (fin de cuenta, señal exterior, comparación con umbrales, etc.), de forma que estos módulos pue den ser utilizados no sólo para contaje, sino también para posicionamiento y dosificación, con respuestas mucho más rápidas frente al suceso al evitarse los pasos 2 y 3 de la secuencia anterior. Un ejemplo de módulo de contaje
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simple, sin mando directo sobre varia bles de planta, es la interfaz T S X A X T 200 de Télcmecanique. cuyo esquema de bloques se muestra en la figura 9.8. Este módulo ofrece dos canales in dependientes de contaje, con frecuen cias de hasta 2 kHz. El valor de cuenta está disponible para el programa de usuario sobre 5 bits con signo, entre —32 y +31. El valor es leído durante la adquisición de entradas, al comienzo del ciclo de ejecución. Por supuesto, el ciclo debe ser su ficientemente corto como para evitar el desbordamiento del contador, o. dicho de otra forma, la frecuencia de contaje de impulsos es función inversa del tiempo de ciclo. La lectura del valor acumulado provoca automáticamente la inicialización (puesta a cero) del con tador. El valor leído puede ser almacenado por el programa de usuario sobre una o varias palabras, según las necesidades de contaje, y procesado para establecer umbrales de comparación, activación de órdenes de mando, etc. Los dos contadores disponen de en tradas independientes de habilitación y puesta a cero que subordinan la cuenta de impulsos al estado de variables de planta.
P 'a n ia
Interfaz
CPU Cana» t Canal 0
Interruptores de p o sició n , de te cto re s
j^ _ ri
inO
dP aroxirnidúd O
♦o to e le c iric o s .c o d i•tcrtdOr m cre m e n ia i
- b its . de
ru r
Inl
valores de c o n ta ie
- c o n ta ie -signo
in te rru p to re s de posición, detecto•e s de proximidad, pu lsadores, s a lid a s a u tó m a ta
n
n
EES
- in h ib ic ió n
PST
R egistro inlernn
— inicial» zación
Figura 9.H. Interfaz de tontaje TSX AXT 200 de Télémecanique.
9.2.5. Interfaces adaptadores de señal Estas interfaces convierten una señal de colector abierto, procedente por ejemplo de un codificador digital, en una señal diferencial para transmisión por cable trenzado. Esta conversión au menta significativamente la inmunidad al ruido de la señal, por lo que será de Utilidad en ambientes de excesivo rui do eléctrico, o con distancias muy lar gas de cableado. La figura 9.9 muestra un ejemplo de interfaz de este tipo, el adaptador OMRO N 3G2A5-AE00I. con dos posibles recepciones de señal, por amplificador diferencial o por optoacoplador. La co nexión entre codificador e interfaz debe ser tan corta como sea posible, para asegurar la inmunidad al ruido.
9.2.6. Módulos de transmisión serie, o módulos ASCII L.os mente sitivos tienen — — — — — — —
autómatas necesitan frecuente intercambiar datos con dispo ajenos a ellos, con los que no interfaces especificas:
visualizadores de mensajes, pantallas T R C , impresoras, teclados, lectores magnéticos, modems, ordenadores y otros autómatas...
ciones capaces de comunicarse con el dispositivo mediante un canal serie, se gún estándares RS-232 C, punto a pun to. o RS-422 o RS-485, multipunto (ca pitulo 14). En su versión más sencilla, estos pro cesadores son simples interfaces serie que transmiten o recogen de la línea bloques de información sin interven ción de ningún control ni protocolo, fuera de las contenciones físicas o de software que fije la transmisión serie, y de las comprobaciones de integridad de la transmisión (bit de paridad). En la transmisión, la interfaz se li mita a recoger los dalos en el orden en que se le presentan en un área de su memoria interna, y de transmitirlos por la linea serie en el formato (bits de in¡-
ció y final, bit de paridad, velocidad) que haya sido indicado en la parameIrización de la tarjeta: es responsabili dad del usuario que los dalos hayan sido preparados de forma que puedan ser reconocidos por el dispositivo de destino. En la recepción, la tarjeta lee la linea serie, comprueba la integridad de la transmisión y filtra los bits de control, dejando los datos válidos en un área de su memoria interna. En otras palabras, estos enlaces asin cronos se limitan a asegurar la trans misión física de datos entre dispositi vos, pero no reconocen ni intervienen en los caracteres que están transmi tiendo: datos, direcciones, códigos de control, etc. Toda esta información debe haber sido preparada previamente por el usuario, y cargada en memoria de transmisión en el orden que el re ceptor espera. La comunicación de estas tarjetas con la C P U tiene lugar en dos fases: I. Param arizaciún, en la que la C PLI les envía una palabra o bloque que define las características: — número de bits de inicio («Start»), — núm ero de bits de final («Stop»), — número de bits de datos (siete u ocho), — existencia o no de bit de pa ridad, — velocidad,
Figura 9.9. Interfaz adaptador Omron JO2A5-AE00I.
C0DIF1CAD0R
AOAPTAOOR A
Entrada fa s e A
_ B
C n tr fa s e B
Z
Entr fa s e 2
-TLTLn.
© A(M £510» £510»
CE Am26LS31
5V
Regulador de tensión
Vcc
Vcc
CONTADOR
© ©
A<->B(+) -
© BH-
© ZH © z<+> © (Vcc S a l2 V ) © ov
- (5QtZv)-■ 0 0V-
©
FG
©
Para esta función los fabricantes dis ponen de procesadores de comunica-
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© rG
R eset
- contenciones «hard» o «soft» empleadas, modo de transmisión («D ú plex», «H alf Dúplex», etc.). Norm alm ente estos módulos pueden emitir/recibir por lazo de corriente (T T Y ) o de tensión (V.24), por lo que habrá que in dicarles también el modo de seado. 2. Transferencia, en la que la C P U se limita a leer o escribir en un área de memoria R A M interna de la taijela, mediante instrucciones o bloques funcionales predefinidos por el fabricante. El tratamiento que la tarjeta aplica a t información que emite o recibe con siste en: — convertir de paralelo a serie, y vi ceversa, — añadir/filtrar los bits de control. Eventualmente, algunas tarjetas per miten: — paginar la información enviada (número de página, cabecera, pie), — añadir/esperar ecos de transmi sión/recepción, — sobreimprimir fecha y hora actua les en el mensaje, etc. La figura 9.10 muestra un procesador de comunicaciones serie asincronas de Siemens, previsto para funciones de coplamiento, o conexión punto a pun•o a través de canal serie, y de listado de avisos o emisión de mensajes a un iparalo periférico (impresora, pantalla de vídeo, etc.). Los programas de ac tuación se almacenan en el cartucho de memoria E P R O M de la tarjeta, que ha brá sido previamente grabado en la uni dad de programación. La tabla 9.3 lista las características técnicas más relevantes de este pro cesador. Los procesadores de comunicaciones serie más sencillos se denominan fre cuentemente interfaces A S C II, por ser este el código más empleado en las transferencias, y constituyen, hoy por hoy. una respuesta rápida a las nece sidades de comunicación del autómata con dispositivos de otros fabricantes o de protocolos no compatibles, a la es
pera de un posible estándar industrial bajo la forma de un bus de campo.
9.3. ENTRADAS/SALIDAS INTELIGENTES Las entradas/salidas inteligentes ac túan, como lo hacían las especiales, como interfaces al autómata de señales particulares de planta, como son la lec tura de sensores de temperatura, en tradas de impulsos de contaje rápido, etc., pero se diferencian de aquéllas en un aspecto fundamental: disponen de salidas binarias propias cuyo estado de pende de la evolución de las señales leídas, lo que les permite reaccionar de forma autónoma al ciclo de programa de la C PU . Así. la interfaz responde directamente a los sucesos de planta, sin intervención de la C P U principal. Esta característica permite definir la zos de control O N / O F F de mejor pre cisión (menor excursión alrededor del punto de consigna, mayor velocidad, etc.), reduciendo los tiempos de res puesta frente a alarmas o interrupcio nes del proceso. Las interfaces de entradas/salidas in teligentes suelen, además, disponer de mayor número de modos de funcio namiento que las entradas/salidas es peciales, permitiendo los cambios de modo mediante órdenes o comandos enviados desde el programa, sin ne cesidad de tocar o ajustar físicamente la tarjeta.
Figura 9.10. Procesador de comunicaciones serie asincronas CP 523, de Siemens. Muchas de las interfaces antes co mentadas como entradas/salidas espe ciales están también disponibles bajo su forma inteligente: acopladores ana lógicos. detectores rápidos de umbral,
Tabla 9.3 Características técnicas deI procesador CP 523. Canales
1. serie adaptable según módulos: - lazo de corriente 20 m A (T T Y ) - V.24/V.28 - RS-422-A/RS-485
Velocidad de transmisión
110 a 192000 bits/s
Paridad
Par, Impar. Ninguna, Marca, F.spacio
Fórmalo de dalos
7 u 8 bits
Acuse de recibo
D T R . R T S . D S R . C T S (sólo en V.24)
Protocolo
3964, 3964R
Conectar
Sub-D. 25 polos, incluido en módulo
Distancia de transmisión
T T Y activo T T Y pasivo
máx., 10 m máx., 1000 m
V.24 RS-422-A/RS-485
máx., 16 m máx., 1200 m
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AUTÓM ATAS PAO O ftAM ABLBS
lectores/convertidores de códigos bi narios, lectura y control digital de re corrido, contadores rápidos multifunción, etc. 9.3.1.
Acopladores analógicos
Los acopladores analógicos son bá sicamente entradas analógicas progra mables con tiempos de captura y con versión A/D reducidos al mínimo, que combinan las prestaciones de las en tradas estándar y las de los detectores de umbral, con ventajas respecto a am bos. Frente a las entradas analógicas, los acopladores permiten la comparación entre los valores capturados y las con signas fijadas. E l resultado de la com paración es señalizado mediante diodos L E D en la tarjeta, y puede emitirse a través de una salida binaria propia, en viarse a un registro o relé interno para almacenamiento, o activar una señal de interrupción a la C PU . Respecto a los detectores de umbral, los acopladores realizan la conversión rápida A/D, con rangos de entrada configurables, y entregan el resultado a la C P U para su proceso por el programa de usuario. Funciones adicionales que pueden incorporar estas tarjetas analógicas avanzadas son: — Conversión de valores numéricos de convertidor a unidades físicas de usuario. - Extracción de raíz cuadrada, para medición de flujos a partir de se ñales de presión. - Períodos de escrutación o captura programables (10 ms a 10 s), para evitar trabajo y tiempo de con versión inútiles sobre señales de muy lenta variación. - Conexión directa a termopares, termorresistencias y otros senso res específicos. — Selección del número de bits de conversión, entre 12 y 16 bits. — Filtros de entrada con frecuencia de corle configurable, para evitar ruidos indeseados, etc.
La entrada analógica recibe la señal de un sensor de presión de 0 a 15 bares, transmitida por lazo de corriente entre 4 y 20 mA, y se desea considerar la me dida relativa al 0,00 - 100,00%. Se dis pone para ello de un convertidor de 12 bits. Si el usuario ajusta en la parametrización de la tarjeta los limites 4/0 y 20/10.000, la salida del acoplador no será un valor numérico entre 0 y 4096 (12 bits. 2'2 valores), sino un valor entre 0 y 10,000 (que el usuario tomará como 0 - 100,00). según la relación de trans ferencia 10.000/4096, porcentaje de se ñal de entrada leída. Por supuesto, la resolución no de penderá nunca del ajuste de los már genes, sino que vendrá dada por el rango de la variable de entrada res pecto al número de bits del converti dor, en el ejemplo anLerior 3,66 mb (15 bares/4096), y no 1,5 mb (0,01% del rango). Es de destacar aquí que muchas de las tarjetas de entradas analógicas dis ponibles, aun sin llegar a las manipu laciones de señal que permiten estos acopladores, si que pueden ser confi guradas por programa para señalizar so bre bits internos o registros de la C P U niveles máximo, mínimo o dentro de
rango, buscando mejorar los tiempos de reacción frente a condiciones de alarma. Como ejemplo de estos acopladores analógicos avanzados se describe a con tinuación la tarjeta analógica IP 243 de tratamiento rápido, de Siemens, Esta interfaz ha sido prevista para en trada, salida, tratamiento y distribución de señales analógicas con tiempos de elaboración muy cortos. Funcionalmenie, la tarjeta consta de (figura 9.12): — Un convertidor A/D de 12 bits (11 bits más signo), tiempo de con versión máximo de 35 fjs, 8 ca nales de entrada con rango de —10 V a +10 V. — Dos convertidores D /A de 12 bits, tiempo de conversión máximo 5 //s, rango de —10 V a +10 V. — Un convertidor D /A de 8 bits, tiempo de conversión máximo de 10 fjs, rango de 0 V a 10 V. — Cuatro adaptadores de valor real (desplazamiento del cero y ajuste de amplificación). — Dos reguladores tipo P con banda proporcional ajustable (amplifica dores diferenciales de ganancia variable).
Figura 9.11. Ejemplo de conversión a unidades de usuario. ^ A
mA
La figura 9.11 muestra un ejemplo de conversión de valor numérico a uni dades físicas en uno de estos acopla dores.
p , 1QQ0Q _ ^ t,096
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’
A unid porcentuol unid c o n v e rtid o r
INTMFACIS U M C taCM
Figura 9.12. Tarjeta analógica de tratamiento rápido IP 243 de Siemens. — Dos comparadores de valor ana lógico. El resultado de la com paración está disponible como sa lida digital y como señal de alarma a la C PU . — Ocho entradas digitales, 24 V rc. Ocho salidas digitales. 24 V cc. 0,2 A.
códigos de n bits, en binario natural o en código Gray, y los convierten en có digos B C D de 3 o 4 dígitos.
Estos convcrtidures se usan para la lectura de posiciones procedentes de co dificadores absolutos, en aplicaciones donde interese conocer la pccición ac tual del móvil en toda circunstancia, in cluso después de un fallo de alimen tación. Los codificadores absolutos dispo nen de varias bandas en forma de co ronas circulares concéntricas, con zo nas opacas y transparentes dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en sectores con combinaciones de opacos y transparen tes, según un código binario de tipo Gray o reflejado (figura 9.13), aunque existen también con salidas B C D y bi nario natural. El estator dispone de un conjunto de captadores ópticos colocados en forma radial, de manera que corresponde uno a cada una de las coronas circulares del rotor. El conjunto de informaciones bina rias obtenidas de los captadores ópticos es único para cada uno de los sectores en que queda dividido el rotor, de for ma que se representa en código binario su posición absoluta. E l código binario de salida es nor malmente Gray o reflejado, que tiene la ventaja de que en cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas, evitando de esta forma (véase apartado 7.6), que puedan pro ducirse errores por falta de alineación de los captadores.
Figura 9.13. Corona circular y desarrollo de un codificador absoluto de 10 hits.
Todos estos componentes pueden utilizarse por separado, o interconeclarse entre sí (distribución) según el tipo de aplicación, para obtener con figuraciones más complejas. El esquema de interconexiones y los parámetros de funcionamiento se parametrizan sobre módulos de software .i funciones de programación estándar en la C P U , proporcionadas por el fa bricante. 9.3.2. Convertidores de código binario/BCD Las interfaces conven ¡doras recogen
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AUTÓMATAS
siguientes velocidades máximas de ro tación del codificador, según su reso lución (r.p.m, = X 1000 X 60 / 2", siendo n el número de bits): resolución (bits)
velocidad máxima (r.p.m.)
8 9 10 II 12
730 1460 2920 5840 11.680
Esta velocidad máxima deberá te nerse en cuenta cuando se diseña el acoplamiento mecánico entre el motor y el codificador.
9.3.3. Interfaces de contaje rápido y lectura de recorrido Si una aplicación exige efectuar con taje rápido de impulsos, y además es imprescindible eliminar cualquier re tardo en la respuesta a preselección al canzada introducido por el ciclo de eje cución del autómata, la tarjeta de con taje deberá incluir sus propias entra das/salidas y control directo sobre ellas, con autonomía completa respecto al programa principal ejecutado en la uni dad central. Las interfaces de contaje rápido per miten sobrepasar los límites de tiempo impuestos por el ciclo de ejecución, y contar impulsos de entrada a frecuen cias de decenas de kilohercios con tiempos de respuesta menores de 500 lis sobre las salidas, en aplicaciones como: — contaje de piezas o sucesos, — medidas de longitud o posición. — medidas de velocidad o tiempo, etc. Para estas aplicaciones la interfaz dis pone de dos o más canales de entrada que pueden parametrizarse para reci bir: — señales desfasadas a 90", o de co dificador incremental, — impulsos de contaje y señal de control de dirección de cuenta (in crementar. decrementar), — impulsos separados de contaje y descontaje, y
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ÍN U R F A C II
IfPICiFICAl
señales de impulso simple pro cedentes de, por ejemplo, un de tector fotoeléctrico de barrera de alta velocidad.
AUTÓMATA I P 240
Los impulsos de entrada, a niveles de tensión T T L o continua estándar de planta (5/24 V , , ), pueden alcanzar tí picamente frecuencias de entre 50 y 200 kHz. Las entradas digitales a 24 V ,, in corporadas en la interfaz permiten: — validar/inhibir el mecanismo de cuenta, — poner a cero los contadores, etc. Además de las señales de entrada, la mterfaz dispone de salidas específicas C C de estado sólido (salidas rápidas de transistor) que permiten control directo del proceso cuando se alcanzan las con diciones de preselección, con retardos menores de 400 //s. El funcionamiento de la tarjeta de pende de los parámetros de configu ración enviados, que definen los mo dos de operación: — — — —
contaje/descontaje, medidas de velocidad o tiempo, comportamiento de las salidas, cálculo de diferencias, etc.
El valor acumulado de cuenta, y los resultados reales de las comparaciones, están disponibles para su lectura por la unidad central y pueden consultarse por el programa de usuario. Ejemplo de una de estas interfaces es la tarjeta de lectura digital de re corrido y contaje IP 240 de Siemens. La taijeta tiene dos canales, con dos modos de operación programables in dependientemente para cada uno:
Figura 9.15. Ijrmpío de control todo-nada aplicado al envasado rápido a granel. salida que puede actuar directamente sobre la planta. Esta salida puede anu larse por hardware, con una orden de validación, o por software, desde el programa de usuario. Asi utilizada la taijeta puede em plearse para construir controles rápidos O N -O FF (todo-nada) sobre variables de planta (figura 9.15). En el segundo modo de operación, con la entrada actuando como lectora de recorrido, cuenta los impulsos de dos trenes de ondas desfasados 90° en tre sí, en el rango ± 99.999. E l sentido del cómputo adelante/atrás queda de finido por el desfase entre los trenes. El contador se pone a cero mediante una señal de entrada que actúa de re ferencia. Pueden definirse hasta ocho bandas de cómputo con extremos máximo/ m ínim o programables, asociadas a
otros tantos bits internos de la tarjeta: cuando el valor de cuenta se encuentre dentro de una banda, se activará el bit asociado correspondiente, simulando el funcionamiento de un control por levas (ligura 9.16). Los bits internos de estado de com paración pueden rcdireccionarse sobre alguna de las dos salidas binarias in corporadas en la tarjeta (24 V,,/500 mA). actuando rápidamente sobre la planta, o ser leídos desde la C P U para procesarlos con el programa de apli cación
9.4. P R O C E S A D O R E S P E R IF É R IC O S IN T E L IG E N T E S Los autómatas han desarrollado en los últimos años prestaciones muy su periores al simple procesamiento de se-
Figura 9.1A. Simulación electrónica de un control por levas.
— cómputo (25/100 kHz, según lon gitud de cable 100/25 m), — lectura de recorrido (500 kHz/30 m). En el primer modo la taijeta se uti liza como contador decremcntal rápi do. que se carga al valor establecido por programa (máximo, 9999) cuando lo ordena la entrada exterior de validación de preselecciones, activa por flanco. El contador decrementa hasta llegar a cero, emitiendo entonces una señal de
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AUTÓMATAS N tO O ftA M A lL IS
ñales de mando por lógica de variables binarias; hoy, es frecuente que el au tómata asuma tareas como: — regulación de procesos, posicionamiento de ejes, — dosificación, etc. Estas tareas, que exigen gran capa cidad de cálculo y gestión de datos, no pueden ser ejecutadas de Ibrma efi ciente por la C P U , so pena de dificultar el desarrollo del programa, complicar la programación y penalizar el tiempo de ciclo de ejecución. La solución pasa por disponer de procesadores específicos adaptados a tareas concretas por su construcción, microprogramados («firmware») para ello en origen, que se conectan direc tamente al proceso con sus propias en tradas/salidas y funcionan de forma au tónoma a la C P U , intercambiando con ella sólo las señales de consigna y man do, y los resultados del proceso o tarea que controlan. Estos procesadores, denominados también taijetas de proceso, limitan la programación al envío de una simple lista de datos numéricos (parámetros y consignas) por parte de la C P U prin cipal, bajo control del programa de usuario. Desde este momento, el fun cionamiento del procesador es autó nomo de la C P U , pero subordinado a ella, que puede opcionalmente modi ficar los valores de parámetros o con signas, cambiar el modo de operación, o incluso inhibir el funcionamiento. Se describen a continuación algunos ejemplos de los procesadores más uti lizados, dedicados a tareas de regula ción, posicionamiento, etc.
La acción integral (/) actúa en fun ción de la historia de la señal de error; compensa en cada instante el error acu mulado. La acción integral indica la rapidez con que el controlador elimina la señal de error valor consigna-valor planta. Esta acción modifica la señal de salida hasta que la variable controlada en planta alcanza el valor prescrito en la consigna. Por tanto, se elimina el error permanente y la compensación exigida por el control proporcional. Sin embargo, a diferencia de la ac ción proporcional, que actúa inmedia tamente sobre el sistema controlado, la acción integral necesita un tiempo para eliminar el error. La acción derivada ( D ) tiene en cuenta la tendencia de la señal a con trolar: actúa para compensar posibles errores que sólo están comenzando a aparecer. La acción derivada (£)), indica en qué proporción se opone el controlador a las variaciones en la señal de error: en perturbaciones lentas, la acción deri vada no actúa apreciablemenle sobre la señal de salida del controlador, pero sí lo hace si las perturbaciones son rá pidas, tanto más intensamente cuanto más rápidas sean aquéllas. La señal final obtenida del regulador viene dada por la ecuación:
— la señal de planta a controlar, leí da a través de un lazo de realímentación desde el sensor de planta. De estas dos señales, consigna y planta, el regulador obtiene el error o desviación f(r), que tiende a minimizar actuando sobre las señales de mando. La situación ideal a alcanzar es la de error nulo, r(r) = 0, pero esto sólo será cierto en un régimen ideal permanente. Para acercarse a este ideal, el regu lador dispone de tres acciones sobre la salida: — proporcional, — integral y — derivada. La acción proporcional (P ) genera una señal proporcional al error instan táneo para tratar de corregir la salida: a más error, más señal de corrección. Cuanto más alta sea esta acción pro porcional, o ganancia, más rápidamente tienden a corregirse los errores, pero mayores son también los riesgos de inestabilidad en el sistema controlado. Normalmente la acción proporcional se da por su inversa en porcentaje, la banda proporcional, de forma que a mayor acción proporcional menor ban da, y viceversa. Es de destacar que si sólo interviene en el control esta acción proporcional, aparece siempre un error permanente entre el valor de consigna y el real de planta, tanto mayor cuanto menor sea la acción indicada (mayor banda pro porcional).
.?(/) = K,. ¿1r) + K,
\ d i)d i +
+ K „ dr(/)/dr El valor de base o polarización s„ ase gura el Funcionamiento del regulador
Figura 9.17. Bucle cerrado de regulación.
9.4.1. Procesadores de regulación PID Tal y como se vio en el capítulo 3, el objeto de la regulación consiste en mantener fijada a un valor de consigna una magnitud física sometida a pertur baciones. Las variables fundamentales que in tervienen en el proceso de regulación son (figura 9.17): — el valor de consigna, indicado por el operador manualmente o por el sistema de control de forma au tomática.
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en régimen permanente no perturbado [<(0=0), mientras que los coeficientes A',.. A,, K n detinen la intensidad de las acciones proporcional, integral y deri vada, respectivamente. Combinando estas tres acciones se gún sus coeficientes se obtiene el mo delo de controlador más adecuado para la aplicación. La elección de unos u otros valores para los coeficientes es un problema clásico de automática, pero en auxilio del usuario no especialista los regula dores disponen de una función de autoajuste A T («aulo-tuning») que, una vez ordenada, es capaz de calcular y memorizar las constantes P ID óptimas para el lazo de control establecido en tre el regulador y la planta. Un regulador real utiliza además otras funciones que ayudan a optimizar su comportamiento: — — — —
alisado, generación de rampas. cálculo de valor medio, histéresis, etc.
La función de alisado consiste en in troducir un retardo generado volunta riamente en la línea de consigna, de forma que se evitan las sobreoscilaciones de la variable controlada como re sultado de variaciones bruscas de con signa. Como contrapartida, sin embar go. el tiempo de subida de la variable controlada aumenta también conside rablemente. La cuantía del alisamiento viene dada por la constante de tiempo elegida para el elemento retardador de primer orden intercalado, tanto mayor cuanto mayor sea esta constante de tiempo. La figura 9.18 muestra el efecto del alisamiento en la consigna, y la varia ción en la respuesta de un bucle de control cuando se modifica de esta for ma el perfil de consigna. Obsérvese cómo se reduce drásticamente la sobreoscilación, pero simultáneamente se incrementa el tiempo de subida en un factor de 2,5. La función de alisado puede utili zarse también como un filtro de en trada en la variable de planta, limitando entonces las variaciones rápidas de la misma (debidas, por ejemplo, a per turbaciones en el lazo o bucle de me dida)
Consigno
~T~ Xe
_L_ C o n sig n a a u s a d a
TI
Ahsarr.iPnto de la consigna
t$ tiempo de sabida ol 100% te • tiem po de e s ta b le c im ie n to (error < 2 % ) (7 : cte de tie m p o eq uivalente del s is te m a co n tro lad o
Figura 9.18. Alisamiento de la consigna en un regulador PID. La función de generación de rampas limita la variación de señal de consigna a un valor prefijado mediante la inte gración de la misma. De esta forma, se evitan las sobreoscilaciones bruscas de la variable controlada que aparecen en caso de modificaciones bruscas de la variable de referencia, modificaciones que son transformadas en rampa por el integrador. La pendiente de la rampa ha de ser la mayor posible (para reducir el re tardo), pero sin llegar a provocar la sa turación del regulador. Así, la variación de consigna deberá ser tal que el sis tema evoluciona a la mayor velocidad que sea posible sin provocar desbor damientos.
Estas y otras funciones permiten adaptar un regulador genérico a la apli cación concreta a que se destina. Una vez obtenido el valor de salida o de variable de corrección a enviar al sistema, el regulador tiene dos opcio nes de control (figura 9.20): — regulación continua proporcional, — regulación por pasos. E n la primera, la variable de salida varía continuamente según los cálculos del regulador. Físicamente, la salida puede ser: — analógica, tensión o corriente con tinua de rangos normalizados.
Figura 9.19. Generación de rampas sobre el valor de consigna.
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en el lenguaje de programación, bien como tarjetas de procesador periférico, de fu n cio n am ien to autónom o a la C PU . En los bloques funcionales de re gulación (regulación por software), todo el algoritmo de cálculo está progra mado en una lista de instrucciones for mando una macroinstrucción o subru lina. que el usuario puede activar para su ejecución un cierto número de veces dentro de un programa. La interfaz de este bloque con el usuario la constituye un listado de va lores numéricos (consigna, constantes PID , etc.), transferido desde el progra ma, o cargado en un área de memoria a la que el bloque funcional acude a leer cuando es activado. Las ventajas más evidentes de la re gulación por soflware son:
— de tiempo proporcional, impulsos de frecuencia constante y relación T,JT.,„ variable. En el control por pasos, la salida se obtiene sobre dos puntos de actuación opuesta que se activan/desactivan se gún el signo del error de regulación. Se utiliza sobre actuadores con compor tamiento integral (que recuerdan la úl tima posición adoptada), por ejemplo servoválvulas de apertura/cierre. El desarrollo de la electrónica in dustrial, y el aumento de las exigencias de calidad en la producción, han po pularizado los sistemas de regulación P ID descritos en todos los campos pro ductivos. El autómata, como pieza fundamen tal en una automatización, no podía permanecer ajeno a esta realidad: estas máquinas incorporan hoy, en las fa milias de gamas media y alta, regula dores de procesos, bien como instruc ciones o bloques funcionales incluidos
Como ejemplo de estos reguladores software, se describe a continuación el F B (Functional Block) 80, para el au tómata S5-I15U de Siemens. El núcleo del software del regulador es el módulo funcional estándar (que suministra el fabricante) R L G : R E G L que contiene, concatenadas interna mente entre si, las funciones clásicas de regulación: algoritmo PID , alisado, etc. (figura 9.21). Conectando o desconectando fun ciones parciales o ramas completas me diante «interruptores software» activa dos desde el programa, el lazo de re gulación puede modificar sus funcio nes, y adaptarse asi a distintas tareas de regulación. Para el cálculo de la variable de sa lida se utiliza el bloque O B 251 (figura 9.22). contenido en el sistema operativo de la C P U S5-1I5U.
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Como parámetros del regulador, se tienen: — — — —
coeficiente proporcional, tiempo de acción integral, tiempo de acción derivada, limites superior e inferior do los valores de salida.
Como variable de entrada para la ac ción derivada se puede elegir entre una magnitud exterior (el valor de planta o cualquier otra magnitud de perturba ción), o la desviación de regulación lerror Hr)]. F.l valor de entrada puede ser el di recto leído en la entrada analógica, o el mismo ya procesado por un progra ma de tratamiento anterior. El software permite comprobar la re gulación a planta parada o en puestas a punto (valor de sustitución X E R S ), manipular directamente la salida (ajus te manual Y H / D Y D ), seleccionar como valor de consigna una variable exterior u otra generada internamente, leer di rectamente la variable de perturbación a fin de acortar el tiempo de respuesta del regulador (entrada Z), etc. Normalmente, los reguladores soft ware funcionan controlados por tiem po, es decir, no siguen el ciclo de eje cución del programa de usuario, sino que se activan periódicamente por in terrupción, según una retícula de tiem po programable, denominada tiempo de exploración. Por supuesto, estas in terrupciones detienen la ejecución del programa de mando y alargan su ciclo de ejecución (excepto si la unidad de control trabaja en multiproceso). Para asegurar el funcionamiento del regulador en tiempo real, el tiempo de exploración debe ser mucho menor que la constante de tiempo del proceso, o de la constante dominante en caso de actuar más de una: 7;.,„ < 1/10 r Puesto que la frecuencia máxima de exploración está limitada por el filtrado de las señales analógicas en las inter faces más el propio tiempo de ejecu ción del software de regulación, valores en absoluto despreciables (del orden de decenas de milisegundos). los tiempos de exploración no serán menores de algunas décimas de segundo, lo que li mita estos reguladores a procesos con
V alo r de consig n a
consigna
V alor de p la n ta
planta
______/s_______ Coeiictente proporcional Valor proporcional Tiem po d e acción integral T iem po d© acción derivativa D esviación de regulación Valor real para la p a d e O C onexión >desconexión Magnitud de perturbación C onexión
desconexión
M agnitud de ajuste m anual
V H rO Y H
T ra ta m ie n to de c o n sig n a Regulador K l imne superior
BGOG
Lim ite inferior
BGUG
-
Figura 9.22. Bloque de regulación FID para regulador FB SO.
Fu n c io n e *
IWEI XERS - ANAU iM PA - YF
-G R S T - G lA E
- GRSG - TO HY
- STEW - VR EC AREC -P O L Y
- TEST
Entrada de valor real VaiO’ real de sustitución Sai-da de va'or analógico S ald a de impulsos Salida de magnitud ajuste a regulador de secuencia Estado básico Alisado Elem ento de va'or limite Zona muerta con hrstéresis Ajustador valor presento Cálculo de o»oporc»ón Cálculo de adaptación Tram o poligonal
M ag n itud e s - WE Valor prescrito externo WP Valor presento lis»co XE Valor real externo - XR Valor rpai de >a entrada analógica Y Magnitud de ajuste del regulador K - DY Incremento de ajuste del regulado» *
Prueba
Figura 9.21. Kegulador software FB SO, para S5-II5V de Siemens. constantes de tiempo de segundos en adelante: — regulación de temperatura, — llenado de depósitos, — accionamientos a baja velocidad, etcétera.
Los procesadores periféricos de re gulación realizan el control P1D en lazo cerrado de manera autónoma a la C PU , monitorizando la variable, comparan do ésta con la consigna deseada y cal culando la señal de corrección nece saria, de acuerdo con el algoritmo
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interno (cableado/program ado) de control. Los procesadores contienen estruc turas y funciones auxiliares predefini das. que el usuario se encarga o no de activar, y pueden ser adaptados a la aplicación según un amplio rango de opciones, siempre y cuando éstas no exijan modificaciones importantes de hardware, que viene impuesto por el modelo pedido al distribuidor. Algunas opciones disponibles sobre estos módulos perilericos son: • EN TRAD AS: — Analógicas de tensión o corriente normalizadas, 0-20 mA/0-10 V. 4-20 mA/l-5 V. — Analógicas de termopar. dos hilos, con linealización interna de la ca racterística del elemento. — Analógicas de Pt 100, cuatro hilos, salida fuente de corriente, entrada tensión de la termorresistencia. — Analógicas de vigilancia de lími tes. 0-10 V, — Binarias de control marcha/paro de regulación.
AUTÓM ATAS H tO O R A M A S L U
• SA LID A S'. — Analógicas de lensión o corriente normalizadas, 0-20 mA/O-IO V, 4-20 mA/l-5 V, de variable co rrectora. Binarias, de impulsos de tensión 0-12 V CC . Binarias, de dos o tres puntos: calor - frío calor - paro - frió (banda muerta), — Binarias de alarmas. • CO NTRO l:. P ID configurablc: PD, Pl. etc. — Continuo analógico o de tiempo proporcional. Todo-nada de dos o tres puntos. — Manual, desde una estación ex terior (hardware), o desde la C PU . con lectura de datos desde pro grama (software) — Tiempos de exploración (ciclo del módulo) seleccionabas (entre 1 y 100 s, por ejemplo) — Posibilidad de conectar entre si los reguladores del módulo, para con trol en cascada. • PRO C ESO : — Conversión directa A/D, con re solución de I I o 12 bits. — Vigilancia de valor real respecto a limites máximo/mínimo. — Cálculo del valor medio. — Función de alisado. — Vigilancia de rotura de la linea de entrada. — Generación de rampas sobre las variables (limitación de la veloci dad de crecimiento). — Filtrado de la señal.
serie de valores y códigos numéricos, no es estrictamente una programación: todo lo que el usuario debe hacer es ir rellenando las ventanas y apartados que el software de configuración le presenta desde la unidad de programa ción. Los datos pueden ir directamente al procesador periférico (programación di recta), o quedar depositados como constantes numéricas en el programa de usuario, siendo entonces la C P U la responsable de la programación en el arranque del sistema. Una vez convenientemente confi gurado, el procesador P ID opera de for ma independiente a la C P U , aunque puede diseñarse un control adaptativo si ésta modifica continuamente los pa rámetros de control de la regulación, siguiendo los cambios de proceso rnonitorizados por alguna entrada analó gica. El tráfico de datos entre la C P U y el procesador se consigue escribiendo/ leyendo datos en un área de memoria común, que se utiliza como soporte de la información intercambiada: órdenes de arranque y parada, estadas de fun cionamiento, valores de consigna, es tados de alarma, etc. A fin de aumentar la versatilidad del regulador, los valores prescritos (con signas) pueden fijarse:
El intervalo de muestren de un pro cesador de regulación es ajustable por el usuario (por ejemplo, entre 0,1 y 60 s), aunque está limitado en su valor mínimo por el propio ciclo de ejecu ción de la tarjeta, que define su tiempo de respuesta y depende de: — lectura de entradas, - tiempo de conversión, ejecución del algoritmo de regu lación, programado o cableado, actualización de las salidas. Aunque, desde luego, los procesa dores de regulación están plenamente adaptados a su función (conversiones A/D extrarrápidas, por aproximaciones sucesivas, entradas débilmente filtra das, etc.), y presentan tiempos de res puesta mucho menores que los regu ladores por software (de hasta unos po cos milisegundos), deben comprobarse los tiempos de ciclo y los intervalos de muestreo elegidos para asegurar la re gulación en tiempo real. De ejemplo de estas interfaces de re gulación, se muestra en la figura 9.23 el regulador 1771-PD, de Allen-Bradley. módulo de control P ID de doble lazo. Entre sus características más desta cabas están las siguientes: - Constantes K r, i„ i,, del control P ID paramelrizables. - Entradas y salidas analógicas in corporadas, 4-20 mA/l-5 V. — Resolución de 12 bits, I parte por 4095. — Lectura de variable de proceso, promediado v filtrado.
- desde la unidad de programación, «on-line» con el proceso, - por transferencia ordenada desde el programa, - directamente desde el exterior, por una entrada analógica.
Es frecuente que estos procesadores periféricos incluyan varios lazos de re gulación, si bien suelen gestionarse desde un único microprocesador, lo que incrementa los tiempos de res puesta si aumenta el número de lazos activos simultáneamente. La estructuración, parametrización y puesta en marcha de los diferentes la zos de regulación se realiza mediante un software de configuración interac tivo, que se encarga de guiar al usuario hasta la correcta entrada de todas las magnitudes y de vigilar los valores de éstas para comprobar su verosimilitud. Esta personalización de los lazos, que se limita prácticamente a introducir una A
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tN fT V M A C n is n c t n c M
Selección de control directo/inversOi — Banda muerta de actuación al paso por cero. - Escalado de las variables de con signa, planta y error. Posible conexión serie, para con trol en cascada. — Tiempo de refresco de 100 ms tí pico. La figura muestra la conexión del re gulador a una estación manual inter media. que permite al operador actuar j voluntad sobre el proceso. Puesto que el tiempo de tratamiento de la información (adquisición de se ñales y cálculo del algoritmo) por el regulador P ID debe ser muy inferior al período de muestreo y éste, a su vez, muy inferior al periodo de la señal (teo rema de Shanon). se reservan los re guladores P ID por software para pro cesos lentos (por ejemplo, control de !j temperatura), mientras que los pro cesadores periféricos, más rápidos, se dilizan para establecer bucles de alta velocidad (por ejemplo, en acciona mientos de maquinas eléctricas). Además de estas posibilidades de re gulación. por software o por procesador periférico, es posible el control P ID gestionado por autómata utilizando -.páralos específicos de regulación, in ri uso de diferentes fabricantes, de fun cionamiento totalmente autónomo a la C P U pero con posibilidad de recibir consignas externas, bien como señal analógica enviada directamente por el autómata, bien como información di gital recogida de un bus de campo o red local. Estas estructuras de control se dis cutirán con mayor detalle en la cuarta parte de esta obra, dedicada al entorno industrial del autómata. ¥.4.2. Procesadores de posicionamiento En la industria de transformación es mas que frecuente la necesidad de posicionar o trasladar piezas u objetos móviles de una a otra parle con pre nsión y rapidez: cabezales de m áquinas-herra mienta, - alimentación de cadenas de mon taje.
GENERAD OR DE CONSIGNA
ACOPLAMIENTO M ANDO
a c c io n a m ie n t o
POSICIÓN
MECANICO
MEDIDOR DE POSICION
Figura 9.24. I.azn de posicinnamientn de un eje. - industrias textil y papelera, - brazos de soldadura, etc. Esta tarea (mando de ejes), enco mendada tradicionalmente a los con troles numéricos y a los posicionadores, puede también ser realizada desde un autómata programable, si bien los requerimientos de velocidad obligan prácticamente a desechar la solución programada (posicionamiento por soft ware), y acudir al empleo de tarjetas periféricas especializadas, o procesa dores de posicionamiento. El esquema de bloques de un lazo de posicionamiento aparece en la figura 9.24. El mando suele construirse con un regulador PI, aunque a veces se hace necesario introducir una acción deri vada para estabilizar el sistema, resul tando entonces un regulador estándar PID. Para evitar movimientos de oscila ción alrededor del punto de consigna, debidos a las tolerancias mecánicas, se dispone de una función de zona muer ta que define una banda de valores al rededor de r(/) = 0 (error nulo) en la que el mando no actúa, es decir, se acepta la presencia de un cierto error final de posicionamiento. El accionamiento comprende el accionador (variador de velocidad) más el eje (motor y acoplamientos). En el accionador se distinguen dos partes: - Potencia, que agrupa los elemen tos de conmutación (transistores, tiristores, etc.) y la electrónica aso ciada. Mando, que agrupa los elementos de control del convertidor de po
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tencia y los de comunicación con el exterior (autómata y motor), Los motores utilizados en posicionumiento son mayoritariamenle mo tores paso a paso y servomotores de corriente continua o corriente alterna, por lo que se han desarrollado proce sadores específicos para ambos tipos: • Posicionamiento de molares paso u paso: Para el control de posición de un móvil sobre un eje lineal o an gular. impulsado por un motor paso a paso, con posición, acele ración y velocidad indicadas como parámetros, lectura optativa de po sición por codificador incremental o absoluto, y salida de Impulsos ai equipo de potencia del motor (fi gura 9.25). • Posicionamiento tic servomotores CC/CA: Para el control de posición de un móvil sobre un eje lineal o an gular, impulsado por un motor CC o C A , con posición, aceleración y velocidad indicadas como pará metros, lectura de posición por co dificador ¡ncrementai o absoluto, y salida de consigna en tensión ( ± 10 V C C ), para variador externo de velocidad (figura 9.26). El posicionamiento de servomotores necesita siempre de un lazo cerrado que asegure el control de la posición, mien tras que los motores paso a paso, con una ley de movimiento que viene dada por el número de impulsos recibidos, pueden funcionar en lazo abierto, sin
— Dos o más lazos de control (ejes) sobre el mismo procesador. — Entradas/salidas binarias propias, para control lógico del movimien to (arranque/parada, límites de se guridad, etc.). — Memoria R A M / E P R O M de al macenamiento de programas. — Posibilidad de almacenar varios programas simultáneamente. — Compensación de holguras me cánicas. — Visualización de estados por dio dos L E D en el frontal, etc.
P A R O D E S E G U R ID A D
P O S IC IO N
ESTAD O S
L A / O D E P O S IC IO N ( O P C IO N A L )
PR O C ESA D O R
CPU
DE C O N S IG N A POSICION AMIENTO P O S IC IÓ N
C O N S IG N A D E V E L O C ID A D + PO S IC IO N _
[n n n n
a m p l if ic a d o r
D E IM P U L S O S M EM O R IA DF program a
CC U N ID A D PR O G R A M A C IO N / C O N S O L A E X P L O T A C IO N
E JE
AU T OMA T A
Figura
9.25.
Conlrul de posición de un eje con motor paso a paso.
necesidad de realizar lecturas de posi ción. En ambos casos, la programación del procesador consiste en la carga en su memoria de programa de una serie de datos o parámetros: • Denos de configuración de la má quina o eje: — Tipo de motor: Número de fases, frecuencia de conmutación, pasos por vuelta, etc. (motores paso a paso). Motor C C /C A , velocidad má xima, etc. (servomotores). — Características del accionamien to: Relación de transmisión, puntos límite de movimiento, valores máximos de velocidad y acele ración, etc. • Datos del movimiento (programa de recorrido): — Longitud y sentido del despla zamiento. — Velocidad. — Aceleración.
necesario. Este modo de marcha es utilizado en las fases de apren dizaje y prueba del programa. — Automático. Modo normal de marcha, que puede estar subordinado a la C PU , que envía consignas indicadas en el programa principal de usuario, o ser autónomo, según consignas contenidas en la memoria de pro grama del procesador. Características generales de los pro cesadores de posicionamiento son las siguientes:
Los motores paso a paso, con una ley de mando consistente en trenes de im pulsos. son utilizados en aplicaciones que exigen alta exactitud de posicionamiento con limitado par resistente, por ejemplo, alimentación de piezas. En un posicionamiento con motores paso a paso hay dos variables involu cradas: — número de impulsos enviados, que definen la longitud del des plazamiento, frecuencia de los impulsos, de la que depende la velocidad del mo vimiento. Si el sistema trabaja en lazo cerrado (opcional), es necesaria una tercera va riable: — número de impulsos o señal ana-
Figura 9.26. Control de posición de un eje con servomotor ( A/CC . PARO UE SEG U RID A D
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F.l funcionamiento del procesador puede ser en modos manual o auto mático: — M anual Según indicaciones dadas desde la unidad de programación o con sola específica de explotación), cargada con el software de control
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lógica emitida desde un captador solidario al movimiento, que in dicará el espacio recorrido. A partir de estos datos el procesador calcula la cantidad de pasos necesarios según el error de posición real (teórica o medida) menos el valor de consigna, genera los trenes de impulsos (con ve locidad y aceleración programadas), y los envía al accionamiento (módulo de potencia) del motor paso a paso: con un impulso, el motor gira un cierto án gulo, con un tren de impulsos, el mo vimiento paso a paso se transforma en un giro continuo. Características específicas de los pro cesadores de posicíonamiento para mo tores paso a paso son las siguientes: — Frecuencia máxima de conmuta ción entre 20 kHz y 100 kHz. — Control de motores de 2 o 4 fases. — Accionamiento de potencia con entrada de impulsos optoaislada o diferencial. Los servosistemas de C C /C A se uti lizan en aplicaciones que exigen alta velocidad de desplazamiento, con ele vado par de arrastre, como, por ejem plo, máquinas-herramienta. El sistema debe trabajar siempre en lazo cerrado, por lo que el controlador dispone de una entrada de contador para realimentación de posición desde un codificador incremental, o de lec tura directa de un codificador absoluto. La salida del regulador suministra una señal de ±10 V ( ( , que será entrada de consigna de la etapa de potencia del accionamiento (convertidor estático C A/C C. C A /C A ). Características de los posicionadores para servomotor C C /C A son: — Frecuencia de contaje de impul sos de hasta 500 kHz. — Precisión de posicíonam iento, menor de 1 mm (hasta 0,1 //m).
tatjeta de mando para aplicaciones in dustríales que exigen controles precisos de velocidad y posición, con reglajes rápidos y servicio flexible. E l procesador asegura la posición de un móvil sobre un eje y manda sus des plazamientos con aceleración y dece leración constantes, según un programa de movimiento almacenado en su me moria. El programa consta de tres bloques:
Como ejemplo de un procesador pe riférico de posicionamiento se describe ¿ continuación la tarjeta acopladora T S X A X M 172 de Télémecanique, pro cesador para posicionamiento de ejes con motores CC. Este procesador se define como una
— parámetros de aplicación (resolu ción, velocidad máxima, ganancia del regulador, etc.), — programa de movimiento (trayec toria), — condiciones de control (programa sobre variables internas).
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La tarjeta de control tiene sus pro pios puntos E/S: — Entrada de contaje de impulsos de un codificador incremental, con frecuencias de hasta 40 kHz. La resolución, o distancia recorrida por el móvil por cada impulso del codificador, depende de éste y de los reductores empleados. — Entradas y salidas auxiliares, para detección e indicación de sucesos y condiciones alcanzadas. — Salida analógica ± 10 V cc (reso lución de 10 bits), para consigna del variador de velocidad. Este procesador se utiliza en com binación con un terminal de explota-
ÓM ATAS OORAM ASLK3
temporizaciones. secuencias, sin cronización con el programa de usuario o con los programas de otros ejes, etc. Las secuencias de los despla zamientos pueden encadenarse gracias a instrucciones simples (fi gura 9.29 h): - subprogramas. - saltos, - temporizaciones.
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Las condiciones de control, que per miten la evolución dinámica del pro grama, incluyen:
figura y. 2ti. ( anexión de! procesador TSX AXA1 172. ción específico, el T S X X B T 172, que permite el mando manual y automático de varios ejes, y la visualización y mo dificación de las variables y parámetros del proceso. La figura 9.28 muestra un esque mático de aplicación. F.I fabricante dispone de un software auxiliar de programación, que guía al usuario para: — introducción de los parámetros de la aplicación, — introducción del programa de mo vimiento (trayectoria). — introducción de las condiciones de control.
— instrucciones de gestión de pará metros, con manipulación de los mismos para modificación y ac tualización, — instrucciones de mando de con troles, para operaciones entre va riables auxiliares, etc.
gura 9.29a), mediante instruccio nes de desplazamiento con o sin parada, desplazamiento hasta una posición absoluta o hasta que ocu rra una condición, etc. Los parámetros de la trayectoria pueden ser: - inmediatos, - obtenidos por aprendizaje, - indicados en cada ciclo por el autómata (control adaplativo). — Organización del m ovim iento:
Todo el programa se edita utilizando este software auxiliar de programación, y una vez depurado queda almacenado en la memoria de la tarjeta de control. F.I terminal de explotación T S X X B T 172 permite el reglaje y utilización de
figura 9.2 9. Programación deI procesador TSX AXM 172. V elo cidad
(mm/mm)
Los parámetros de la aplicación per miten adaptar el procesador a la apli licación particular. Estos parámetros son — del eje: - resolución del captador, - velocidad máxima del móvil, - aceleración y deceleración per mitidas, etc., — de la regulación; - ganancia de posición, - ganancia de velocidad, etc., — de utilización - error o tolerancia preseleccionada, - desvío máximo de seguimien to, etc.
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El usuario puede programar la tra yectoria del móvil mediante un juego de instrucciones simples y orientadas a la aplicación:
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— Descripción de la trayectoria (fi
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varios ejes controlados desde el mismo autómata. Se conecta a la C P U principal, y des de él se puede: — visualizar los parámetros y el pro grama, — observar d esplazam ientos en tiempo real: velocidad, posición, etc., — seleccionar los modos de marcha, — modificar parámetros y operandos de instrucción (no instrucciones), — acceder a funciones auxiliares: aprendizajes de posición, puesta a punto, etc.
9.5. R E S U M E N Las interfaces especificas facilitan la adaptación del autómata a procesos que manejan señales particulares, bien por la forma en que se presentan (impul sos, códigos binarios, analógicas de bajo valor, etc.), bien por el control que se ejerce sobre ellas (regulación PID , con trol numérico, etc,). Dado su uso restringido frente a las más estándar digitales y analógicas, las interfaces especificas no están incor poradas al autómata base, sino que se ofrecen como tarjetas o módulos op cionales en las máquinas modulares de gamas media y alta. En general, estas interfaces tratan, además de canalizar señales especificas, de descargar a la C P U principal del tra bajo de interpretación y ejecución de sus programas asociados.
Precisamente, la potencia del trata miento incorporado en la tarjeta per mite su clasificación en: — Entradas/salidas especiales: Sin tratamiento inteligente (con trol) de la señal, que es única mente manipulada o transformada entre el autómata y el proceso: comparadores, contadores rápi dos, etc. — Entradas/salidas inteligentes: Con control elemental incorpo rado, que permite establecer lazos de regulación O N / O F F utilizando señales binarias propias de la tar jeta. que resultan modificadas por los resultados del tratamiento de los datos: acopladores/compara dores analógicos, lecturas de re corrido y posicionamiento, etc. — Procesadores periféricos inteligen tes: Con programas dedicados (espe cíficos) incorporados en su me m oria, param etrizados por el usuario para que la tarjeta funcio ne con sus propias entradas y sa lidas binarias y analógicas, de for ma autónoma a la C P U : regula dores PID , procesadores de posi cionamiento de ejes, etc. Aunque prácticamente todas estas funciones especiales podrían ser reali zadas mediante programa de usuario, desde la C P U principal, esta solución introduciría tres problemas:
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autómata quedan hipotecadas para la función, con el agravante de que las utilizadas podrían no ser las más apropiadas, o incluso no ser válidas en absoluto para la apli cación (por el tiempo de respues ta, por ejemplo). - Aumenta la dificultad de la pro gramación y la posibilidad de re chazo de la solución automatizada por parte del usuario poco espe cializado. — Se incrementa el tiempo de ciclo del autómata, con lo que se re tardan las reaccciones de éste frente al proceso, lo que puede causar problemas en el procesado rápido de señales (apartado 5.5). Utilizando las interfaces especificas, que incorporan el concepto de especialización en el autómata, todos los problemas anteriores desaparecen o se atenúan significativamente, y se abren nuevas vias de aplicación para estas máquinas.
9.6. R E F E R E N C IA S |1] IDEC-IZUM1. Uscrs Manual F.M073-0. FA2Junior Series. 12] C IM T E L - T É L É M F .C A N IQ U E . Los Auto matismos Programables Integrados J902 13] S IE M E N S . Cat. Núm. S T 54.1 Autómatas Programables S5-I35U y S5-I55U. I-I) S IE M E N S . Cat. Núm. S T .52.3. Autómatas Programables S5-I15U y S5-II5H. [5| A L L E N - B R A D I.E Y Producl Cíuide. Noviem bre 1987. |6| OM RO N. The C-Serics Solution. Cat Núm. X50-F.I-2.
AUTÓMATAS H tO O RAM AftLBS
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ÍO . PROGRAMACIÓN DEL AUTÓM ATA 10.1. IN T R O D U C C IÓ N Hasta el momento, se ha descrito al autómata como una máquina formada por elementos de hardware capaces de comunicarse físicamente con el pro ceso para: recoger el conjunto de variables (digitales y analógicas) que defi nen el estado del mismo (señales de entrada), — enviar otro conjunto de variables que modifiquen dicho estado en un sentido predeterminado (se ñales de salida). Además, por su atributo de programable, el autómata necesita para su completa adaptación al proceso de un operador humano que defina cómo se quiere la evolución del mismo. Este operador intercambia entonces infor mación con el hardware de autómata para: — fijar, mediante una secuencia de ór denes, la le\‘ general de mando, de la que se obtienen tas variables de salida o de control, — intervenir,; continuamente o no, sobre el proceso para modificar la evolución o, simplemente, para leer su estado. El primera de los puntos, estableci miento de la secuencia de órdenes, se denomina programación del autómata, y a la secuencia establecida, programa de la aplicación. Al segundo punto, intervención del operador sobre el proceso, se le conoce comúnmente como explotación de la aplicación , y durante ella se permiten modificar algunos parámetros (tiempo, consignas, módulos de cuenta, etc.), pero no modificar el programa. La estructura de intercambios múl tiples proceso-autómata-usuario está sintetizada en la figura 10.1 Como se
observa, las intervenciones sobre la planta se efectúan a través del autó mata, aunque, en algunos casos (por ejemplo, paradas rápidas por motivos de seguridad), el usuario puede actuar directamente sobre el proceso. De los intercambios mostrados en la figura, el primero de ellos, de in formaciones físicas entre autómata y proceso, está resuelto mediante el empleo de las interfaces E /S descritas en anteriores capítulos, mientras que el segundo, la comunicación con el operador para programación/explota ción. necesita de un soporte software que haga el papel de intérprete en tre el sistema real y los deseos del usuario. Asi, puede definirse este software [1J como el «conjunto de programas des tinados a permitir o facilitar la utili zación del hardware para la producción y explotación de las aplicaciones». Según esta definición, podemos cla sificar estas herramientas de software en dos grandes grupos: - Sistemas operativos, residentes en el propio autómata, que se encar gan de establecer las secuencias de intercambios de información, interpretar y ejecutar las órdenes de usuario, y vigilar por el co rrecto funcionamiento del equipo. — Software de edición/depuración de
programas, que permite al usuario la introducción del programa so bre un soporte físico (cinta, disco, memoria de semiconductor), la modificación del mismo en la puesta a punto, la obtención de la documentación pertinente, y la creación de copias de seguridad. Este software de edición/depuración está instalado (es residente) o es instalable sobre un terminal especial, la unidad de programación, de funcio namiento autónomo o supeditado al del autómata. La unidad tiene como funciones principales: — Soportar la edición y depuración del programa. Proporcionar la interfaz física en tre el usuario y el autómata, para transferencias de programas y su pervisión y control del proceso. Los intercambios de información en tre los elementos que aparecen en la figura 1 necesitan, en todos los casos, de una codificación del mensaje que sea comprensible a las partes que in tervienen [2], Esta compatibilidad, que el autómata lograba en el lado de planta mediante interfaces adecuadas a las señales emi tidas o recibidas, se consigue en el lado
Figura 10.1. Intercambios de información en un sistema de autómata.
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PR O G R A M A C IÓ N O KI AUTÓM ATA
de usuario mediante el empleo de los lenguajes de programación y explota ción preestablecidos por el fabricante. Se deline, pues, lenguaje de progra mación como el conjunto de símbolos y textos inteligibles por la unidad de programación que le sirven al usuario para codificar sobre un cierto autómata las leyes de control deseadas, mientras que lenguaje de explotación será el con junto de órdenes y comandos que el usuario puede enviar, desde la misma unidad o desde un terminal adecuado, para recoger estados o modificar varia bles del proceso. Como se observa en la definición, el lenguaje de programación se define en tre el usuario y la unidad de progra mación: la compatibilidad entre ésta y el autómata está asegurada por el fa bricante del mismo, que lo es también de la unidad, o del software que se ins tala sobre ella si es una máquina de aplicación general, como un PC com patible. En definitiva, el usuario introduce su ley de mando en la unidad de progra mación mediante un programa (se cuencia de órdenes) codificado según un lenguaje (conjunto de símbolos) in teligible para ambos. La unidad de programación compila o convierte el programa a los códigos binarios que realmente entiende el au tómata, y los transfiere y deposita en la memoria del mismo. Estos códigos binarios son después interpretados por el sistema operativo residente (firmware) para movilizar los recursos físicos (procesador, interfaces E/S, etc.) necesarios en la ejecución del programa. La figura 10.2 muestra un resumen de los sistemas y recursos involucrados en las transferencias de información que rodean al autómata. Como se observa, el programa se ob tiene desde un modelo del sistema, re presentación simbólica del mismo que permite la aplicación de herramientas matemáticas o gráficas de análisis y sín tesis, para reducir el trabajo de diseño y asegurar la bondad del control ob tenido. La transcripción del proceso y sus especificaciones a un modelo, que en sistemas pequeños puede —y suele— obviarse (se obtiene el programa es cribiendo directamente en el lenguaje
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Figura 10.2. Interrelación hardware/software en el autómata. de programación), es imprescindible en sistemas complejos, donde las relacio nes entre variables son muy difíciles de establecer únicamente con las descrip ciones literales del funcionamiento. La programación del autómata pasa, pues, por los siguientes pasos: 1. Determinar qué debe hacer el sis tema de control y en qué orden (por ejemplo, mediante un dia grama de flujo, una descripción literal o un grafo G R A F C E T ). 2. Identificar los componentes (se ñales) de entrada y salida al au tómata. 3. Representar mediante un modelo el sistema de control, indicando todas las funciones que intervie nen, las relaciones entre ellas, y la secuencia que deben seguir. Esta representación puede ser: — Algebraica: instrucciones lite rales. — Gráfica: símbolos gráficos. 4. Asignar direcciones de entrada/ salida o internas a cada uno de los componentes que aparecen en el modelo. 5. Codificar la representación ante rior en instrucciones o símbolos inteligibles por la unidad de pro gramación. 6. Transferir las instrucciones obte nidas a la memoria del autómata desde la unidad de programación.
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7. Depurar el programa y obtener una copia de seguridad. Los siguientes apartados desarrollan en extensión cada uno de los puntos de esta secuencia.
10.2. R E P R E S E N T A C IO N D E S IS T E M A S D E C O N T R O L En la introducción se ha descrito la programación como la codificación al lenguaje del autómata del conjunto de órdenes que conforman la ley de man do o control deseada. Codificar significa transformar una información en otra equivalente de dis tinto formato. Ahora bien, ¿cuáles son estas informaciones, en el entorno del autómata? De una parte, el código de salida a obtener son los códigos binarios que entiende la C P U ; de otra, el código de entrada no es más que el control que se quiere implementar, representado en alguna forma. Desde luego, puede usarse el len guaje vulgar (descripciones literales) para describir lo que el automatismo hace en cada momento, junto con las condicio nes que debe satisfacer, y probable mente, en las etapas previas del diseño, este será el camino por el que el di señador empiece a conocer el sistema. Sin embargo, la creciente compleji dad de los automatismos a desarrollar
AUTÓM ATAS PAO O RA M A S L IS
y la necesidad de dejar perfectamente especificadas las condiciones de tra bajo, obligan a utilizar útiles simbólicos de representación que permitan, inter pretados adecuadamente, obtener toda la información posible acerca del sis tema de control. Para ello, estos útiles de represen tación deben cumplir dos condiciones: — ser comunes para el emisor y re ceptor de la información, por cuanto sean comprensibles simul táneamente para ambos, — ser de empleo coherente, por cuan to utilicen unas reglas de combi nación entre ellos (sintaxis) per fectamente establecidas. Combinados entre sí en la forma que lijen las especificaciones, los símbolos forman un modelo intermedio del sis tema, indispensable para analizar ex haustivamente el comportamiento y sintetizar las soluciones. Según los símbolos utilizados en el modelo, la representación puede ser: — Proposicional: descripciones lite rales. — Algebraica: funciones booleanas y aritméticas. — Gráfica-, esquemas de relés, dia gramas lógicos, ordinogramas, téc nicas G R A F C E T En general, ninguna forma de repre sentación es estrictamente superior al resto, depende en cada caso de la com plejidad del problema a representar y de los técnicos y operarios a quien va dirigida la utilización de una u otra. In cluso es muy frecuente el empleo com binado de todas ellas en la represen tación final. 10.2.1. Descripciones literales La descripción del proceso y su con trol puede hacerse con la enumeración literal de las acciones a desarrollar por el mismo, expuestas secuencialmente y con indicación de las condiciones de habilitación o validación en cada caso. La ventaja de estas descripciones, que es a la vez su principal inconve niente, es la ausencia de rigor en la ex posición: cualquier persona, aun poco cualificada desde el punto de vista de
la automática, es capaz de explicar lo que debe hacer un proceso que co nozca. Esta descripción, si bien posi blemente estará libre de errores, ado lecerá casi con seguridad de Taita de especificaciones en los procesos, en las variables o en las relaciones entre ellos. La figura 10.3 muestra un ejemplo de descripción literal de un proceso de mecanizado, donde se hacen patentes las limitaciones descritas. En efecto, observando la figura y la descripción podrían plantearse algunas preguntas: 1. ¿Qué ocurre si la presión detec tada por el manómetro no es la prescrita? 2. ¿Cuándo debe empezar a girar el taladro, antes, durante o después de la bajada de la cabeza? 3. ¿Cuándo debe detenerse el tala dro, al llegar a tope, durante la subida o después de haber subido el cabezal? 4. ¿Cóm o se afloja la pieza, por re troceso del cilindro A, por ex tracción manual, o por movimien to del soporte? Parece que con una descripción como la dada, que en principio resul taba suficientemente clara, el diseñador necesita de una serie de preguntas adi cionales antes de empezar a trabajar en el control. La conclusión que se obtiene es que
la descripción literal o se hace exhaus tiva, con lo cual es de difícil compren sión en su conjunto, o no es totalmente unívoca con el proceso que se quiere controlar. Afortunadamente existen otras for mas de representación, de sintaxis más definida, que permiten descripciones más concisas y claras de la tarea de control. 10.2.2. Funciones algebraicas La función algebraica de cada salida o función de mando puede obtenerse directamente a partir de las especifi caciones del cliente, con las limitacio nes discutidas en el apartado anterior, o bien derivarse de ellas aplicando mé todos de síntesis basados en el álgebra de Boole, ente matemático que regula las relaciones entre señales binarias todo-nada (anexo I y capítulo 2). Esta representación puede ser tan compleja como sea necesario, siempre y cuando se respeten las reglas del ál gebra. Por ejemplo, ia alarma S debe activarse cuando el contacto C esté ce rrado, y los contactos A y B en estados opuestos, según convenio: — abierto: 0 — cerrado: 1 La función booleana será: S = (A B + Á B) • C
Figura 10.3. Descripción literal de un proceso.
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El operador pulsa los mandos manuales c y d y se reanuda el ciclo
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apriete de la pieza por medio del cilindro A. verificación de este apriete por la presión co m p robada por el manómetro a,. bajada de la cabeza de taladrado B y rotación R del (aladro, fin de la perforación controlada por el tope b., subida de 0 y parada de R: cuando se acciona b0, afloje de la pieza
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PR O G R A M A C IÓ N D IL AUTÓM ATA
Aunque la representación bonleana está restringida a las variables que adoptan únicamente dos estados (por convenio. 0 y 1), puede mejorarse de finiendo otras operaciones (aritméticas, comparación) que permitan las relacio nes entre variables digitales de varios bits: el modelo dejaría de ser booleano, uunque continúa siendo algebraico. Pese a que cualquier sistema, combinacional o secuencial. puede ser re presentado por un modelo algebraico de funciones, la particular complejidad que presenta en ellos el análisis y sín tesis de sistemas seeuenciales limita en la práctica el empleo de ecuaciones a ia representación de combinaciones en tre variables, de resultado indepen diente al instante de tiempo conside rado (por ejemplo, condiciones de alar ma, operaciones aritméticas con varia bles analógicas, etc.).
10.2.3. Esquemas de relés E l esquema de relés es la represen tación gráfica de la tareas de automa tización mediante símbolos de contac tos abierto-cerrado. La función de control obtenida de penderá de las conexiones entre los distintos contactos de los relés que in tervienen (figura 10.4). Este modelo gráfico, de origen en las tecnologías electromecánicas de eje cución de sistemas de mando, presenta deficiencias en cuanto a ia represen tación de funciones seeuenciales com plejas, como son los secuenciadores, registros de memoria, etc., y. sobre todo, en la manipulación de señales di gitales de varios bits (por ejemplo, ob tenidas de una conversión A/D).
figura 10.4. Esquema eléctrico de relés.
Sin embargo, siendo muy familiar a los electricistas, se utiliza frecuente mente para la representación de siste mas sencillos, en los que no intervie nen más que señales lógicas binarias todo-nada, o algunos bloques secuenciales predefinidos, como temporiza dores y contadores.
10.2.4. Diagramas lógicos La representación del sistema de control por diagramas lógicos se basa en el empleo de símbolos normaliza dos (puertas) que representan funcio nes lógicas directas del álgebra de Boo le (A N D , OR. etc.), o sistemas lógicos más complejos (biestables, registros, contadores, etc.). La figura 10.5 muestra el modelo de diagrama lógico del sistema de alarma descrito en el ejemplo anterior. El conjunto de lodos los símbolos con sus interrelaciones forman el logigrania del sistema de control, repre sentación compacta e independiente de la tecnología de construcción del mis mo (eléctrica, neumática, etc.). Desgraciadamente, el logigrama es una herramienta característica del téc nico de software o del ingeniero de di seño, muy alejada de muchos de los usuarios finales del autómata, por lo que su empleo queda en la práctica casi circunscrito a la representación del sis tema en alto nivel, a efectos de espe cificaciones y documentación.
10.2.5. Ordinogramas Los tres modelos descritos, alge braico. de relés y de puertas lógicas, permiten, con mayor o menor claridad, tanto la representación de sistemas com binacionales como seeuenciales, como lo son. de hecho, la mayor parte de los sistemas industriales (secuencias de actividades o combinaciones de ope raciones consecutivas en el tiempo). Sin embargo, esta evolución tem poral no es de apreciación Inmediata sobre aquéllos, lo que obliga a utilizar algún modelo, preferiblemente gráfico, que relleje las secuencias de evolución y toma de decisiones del proceso. Un primer intento de representación, de cierta utilidad en fases previas del diseño, puede ser el diagrama de llujo u ordinograma del proceso.
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figura 10,5. Representación por diagrama lógico.
Extensamente utilizado por los di señadores de software para ordenador, el modelo emplea una simbologia de bloques, convenientemente entrelaza dos, que representan la evolución tem poral o condicional de las acciones a ejecutar. En la figura 10.6 aparece un ejemplo de representación por diagrama de llu jo, en el que se pone de manifiesto la compacidad del modelo. Ciertamente claro para describir el funcionamiento general, puede no ser lo lanío cuando se Intenten representar las variables y señales que intervienen y las relaciones entre ellas, a no ser que el modelo se complete con expresiones algebraicas. Esta solución, sin embargo, afecta entonces a la claridad de la re presentación gráfica inicial.
figura 10.6. Ordinograma de un posicionamiento hidráulico manual.
( In ic io )
Mover izquierd o
Mover d e rech a
10.2.6. Representación G R A F C ET Una evolución del diagrama de flu jos. que combina las ventajas de la re presentación secuencial gráfica con la integración de los modelos preexisten tes, es la representación por diagramas G RAFC ET Ahora normalizado según norma in ternacional IE C 848 (In tern atio n al E le c tro te c h n ic a l C o m m ís sio n ). el G R A F C E T se reconoce como el mo delo mejor adaptado a la parte secuen cial de los automatismos. Para ello, el G R A F C E T representa directamente la sucesión de las «eta pas» dentro de un ciclo de producción, separadas por «transiciones» o condi ciones de salto entre unas y otras (fi gura 10.7). El ciclo se desarrolla etapa por etapa desde la que se define como «etapa ini cial», que se activa al comienzo del fun cionamiento. Mientras una etapa está activa, el control: — ejecuta la función de mando co rrespondiente a la etapa, — consulta las condiciones de tran sición para el salto a la siguiente. Tanto la ejecución de la función de mando como la consulta de las con diciones de transición pueden repre sentarse por cualquiera de los modelos anteriores, resultando una representa ción final del automatismo en la que la secuencia gráfica muestra la evolu ción temporal y las etapas y transido-
Figura IO.S. Combinación de estructuras GRAFCET con diagramas de contactos. nes las condiciones combinatorias de ejecución. En la práctica, es muy frecuente el empleo de esquemas de relés para re presentar etapas y transiciones, resul tando un modelo totalmente gráfico del sistema de control (figura 10.8). Como se vió en el capítulo 2, la po sibilidad de programación directa en G R A F E C T de algunos autómatas de gama alta, permite el empleo de esta herramienta en todas las fases del di seño:
10.7. Estructura general de una representación GRAFCET. JJn io n e s orientadas Etapa Inicial Transición
1
-
Acciones asociadas a la etapa 1
Transición I i Etapa 2
La figura 10.9 muestra un ejemplo de aplicación en estas tres distintas fases, a partir de las especificaciones lifera-
Figura 10.9. El GRAFCET en diferentes fases de la automatización.
figura
Etapa 1
— Especificaciones funcionales, o G R A F C E T del pliego de condi ciones. — Especificaciones tecnológicas, o G R A F C E T de movimientos. — Programación del autómata, o G R A F C E T de mando, que re sulta útil también en la fase de explotación.
Acciones asociadas a la etapa 2
Transición Receptividades asociadas a las transiciones
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les del comportamiento de un auto matismo. Esta estandarización del modelo, una de sus principales ventajas, facilita el (lujo de información entre todos los ni veles de la empresa, desde la oficina técnica hasta los equipos de manteni miento.
en
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ELEM EN T O
R EFER EN C IA
DESCRIPCIÓN
M otor 1
MOT 1
M otor arrastre cinta
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MOT 2
Agitador de material
Electroválvula I
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Apertura puerta
Piloto
PLT
Indicador de marcha
CVF.l.
Salida analógica de
Consigna de velocidad
10.3. ID E N T IF IC A C IÓ N D E V A R IA B L E S Y A S IG N A C IÓ N DF, D IR E C C IO N E S Una vez obtenida la descripción fun cional del sistema, y definida la ley de control a aplicarle, estarán perfecta mente fijados lodos los componentes (señales) de entrada y salida al autó mata, com ponentes que quedarán identificados por las referencias (opcio nales) que el usuario haya querido dar les en el modelo obtenido. La tabla 10.1 muestra un posible ejemplo de identificación de elementos de campo. Identificadas y referenciadas las va riables de entrada/salida, la simple ob servación de la ley de mando nos per mite identificar también las variables internas empleadas, que, por la función que desempeñan en el programa, serán fundamentalmente de tres tipos: — Variables de usuario, accesibles desde la unidad de programación o el terminal de explotación, que servirán para introducir consignas o parámetros que el programa ne cesita (por ejemplo, valor de una temporización, límite máximo de velocidad, etc.). — Variables de cálculo intermedio o memoria, que el programa utiliza para identificar determinados es tados internos de influencia en la secuencia de mando (por ejemplo, combinación de señales de entra da en una única variable, apari ción y reconocimiento de una alarma, etc.). — Variables de consulta de estados, variables internas predefindas por el fabricante (relés auxiliares o es peciales), de funcionamiento in dependiente del programa, que guardan o generan informaciones sobre estados internos del autó-
consigna de velocidad
Pulsador marcha
M ARCHA
Pulsador de marcha
Pulsador paro
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Pulsador de paro
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Entrada analógica del peso en btiscula
Tabta 10.1. Identificación de elementos de campo. número de variables disponibles, del mapa de memoria del autómata em pleado y, en cuanto al formato o re ferencia, de la configuración del mis mo. El mapa de memoria determina la cantidad de variables E/S o internas que se pueden utilizar, mientras que de la configuración depende que las di recciones de estas variables sean rela tivas o absolutas. Esta clasificación atiende, respectivamente, a si la varia ble en cuestión puede tener distintas direcciones, según la ubicación de mó dulo que la contiene (autómatas mo dulares), o si está forzada a mantener siempre la misma, bien porque no exis ta ninguna expansión (autómatas com pactos). bien porque éstas estén obli gadas a conectarse en un determinado orden (expansiones compactas).
mata (por ejemplo, relojes de dis tintas frecuencias, señalizadores de error, etc.). Estas variables internas pueden ser de los siguientes tipos (véase apartado 4.4): — binarias, de 1 bit (relés internos), — digitales, de varios bits (registros internos, temporizadores y con tadores). La tabla 10,2 muestra un ejemplo de identificación de variables internas. Identificadas las variables, sólo que da asignarles las direcciones de bornes donde irán conectadas (variables de E/S) o de elemento de memoria donde están depositadas (variables internas). Esta asignación depende, en cuanto al
Tabla 10.2. Identificación de variables internas. ELEM EN TO
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Condición marcha T IM
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DESCRIPCIÓN
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Variable prefijada 1 Hz
AUTÓM ATAS
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Las consideraciones anteriores son válidas para variables de E/S, ya que las variables internas, salvo raras excepcio nes, tienen siempre direcciones abso lutas: tcmporizador 1, contador 25, relé interno 18, etc. Las direcciones E/S absolutas, pro pias de autómatas compactos, están formadas por un solo campo, la posi ción del borne de conexión sobre el autómata o su expansión. Las direcciones relativas, en autó matas modulares, tienen en cambio dos
campos: dirección del módulo sobre el bas tidor (puesto de enchufe o canal), — dirección del borne de conexión sobre el módulo. Ambos campos suelen venir sepa rados por algún símbolo algebraico o. simplemente, por su distinto peso den tro de la dirección total, por ejemplo: — 5.7, punto 7 dentro del módulo 5, — 25/1, punto 25 dentro del módulo l, — 1005, punto 5 dentro del módulo 10, etc. Normalmente, y para facilitar el tra bajo del usuario, las direcciones se acompañan de una etiqueta que las identifica como entradas, salidas o in ternas, por ejemplo: — — — —
IN 12 entrada 12, E 5.7 entrada 7 del módulo 5, O U T 100 salida 0 del módulo 10. IR 12 relé interno número 12,
— TIM I temporizador 1,
real de entradas/salidas que necesita la aplicación. En la figura 10.10 aparece un ejem plo de configuración del autómata mo dular Izumi FA-2J Júnior, con un mó dulo de contador rápido y una salida analógica, además de otras interfaces binarias. Se muestra también el mapa de direcciones de E/S correspondiente. ENTRADAS 0 .. 7: Binarias (I canal, 8 puntos) 10 .. 17. 20 .. 27, 30 .. 37: Contador rápido (3 canales, 24 puntos) 40 . 47: Binarias (1 canal, 8 puntos)
200 .. puntos) 220 . canales, 240 .. tos)
S A L ID A S 217: Binarias (2 canales, 16 227. 230 .. 237: Analógicas (2 16 puntos) 247: Binarias (1 canal, 8 pun
Se observa en el mapa anterior el desplazamiento que sufren las direc ciones por la introducción de estos mó dulos especiales, asi como la posibili dad de acceso a puntos individuales de la variable digital, una vez fijada la di rección de canal que ocupa. Conocidas las variables que intervie nen en el proceso, y el mapa de di recciones según el autómata seleccio nado, solamente queda establecer las correspondencias biunívocas entre unas y otro, en lo que se conoce como asig nación de direcciones de la aplicación. Como ejemplo de asignación de di recciones, se indica en la tabla 10.3 el mapa de memoria del autómata Omron C20K, pequeño autómata compacto de
bajo coste, y en la tabla 10.4 una po sible asignación de aquéllas previa mente definidas. Lina vez asignadas las direcciones, se está ya en disposición de escribir el programa del autómata en el lenguaje elegido.
10.4. L E N G U A JE S D E PR O G R A M A C IÓ N Se ha descrito ya el programa como el conjunto de instrucciones, órdenes y símbolos reconocibles por el autó mata a través de su unidad de progra mación, que le permiten ejecutar la se cuencia de control deseada. Al conjunto total de estas instruc ciones, órdenes y símbolos que están disponibles para escribir un programa se le denomina lenguaje de progra mación del autómata. Seria deseable que la misma simbología utilizada para representar el sis tema de control pudiera emplearse para programar el autómata: el ahorro de tiempo y documentación y la seguridad en el programa obtenido serían con siderables. Sin embargo, esta solución no es siempre posible: el lenguaje depende del autómata empleado y de su fabri cante, que decide el tipo de unidad de programación (literal, gráfica) y el in térprete (firmware) que utiliza su má quina, mientras que el modelo de re presentación depende del usuario, que lo elige según sus necesidades o co nocimientos. Pese a ello, los lenguajes de progra mación de autómatas intentan ser lo
— D R 10 registro de datos número 10, etc.
Figura 10.10. Direccionnmiento E/S con interfaces digitales. Si el autómata emplea señales E/S digitales de varios bits, bien proceden tes o destinadas a interfaces de entra da/salida analógica, bien de contadores rápidos u otras interfaces dedicadas, debe tenerse en cuenta que estas in terfaces, aun trabajando con una sola variable, ocupan en realidad varios puntos físicos de entrada/salida, nor malmente agrupados en canales de 8 o 16 bits. Esta circunstancia afectará al direccionamiento de los módulos que los sigan, y a la evaluación de la ocupación
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Mapa de memoria del autómata OMKO!S C20K.
más parecidos posibles a los modelos de representación usuales, a fin de fa cilitar la transcripción entre ambos. Así. tos lenguajes pueden ser: — Algebraicos Lenguajes booleanos Lista de instrucciones Lenguajes de alto nivel
— G ráficos
Diagrama de contactos Diagrama de funciones/bloques Intérprete G R A F C E T .
Si la representación elegida para el sistema de control es comprensible por la unidad de programación, no será ne cesario realizar ninguna codificación, al aceptar ésta los símbolos utilizados. En caso contrario, habrá que traducirla a un programa, según uno de los ante riores lenguajes. El programa obtenido está formado por un conjunto de instrucciones, sen tencias, bloques funcionales y grafismos que indican las operaciones a rea lizar sucesivamente por el PLC .
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La instrucción representa la tarea más elemental de un programa: leer una en trada, realizar una operación A N D , ac tivar una salida, etc. La sentencia representa el mínimo conjunto de instrucciones que definen una tarea completa: encontrar el valor de una función lógica combinación de varias variables, consultar un conjunto de condiciones y, si son ciertas, activar un temporizador, etc. El bloque funciona! es el conjunto de instrucciones o sentencias que realizan
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Consigna de
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Pulsador marcha
M ARCHA
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Pulsador paro
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PESO 1
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(16 puntos)
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La figura 10.11 muestra la estructura de una instrucción típica en diferentes lenguajes de programación. En general, las instrucciones pueden ser de distintos tipos: lógicas, aritmé ticas, de transferencia, etc., que adop tan diferentes formas de representación según el lenguaje empleado. En algunos autómatas, el programa necesita para su correcta ejecución de una tabla de parámetros, introducida también desde la unidad de progra mación, que define el entorno de fun cionamiento de la máquina: uso o no de entradas de rcset o stop, — capacidad de la memoria de usua rio empleada, — conexión o no en red local, — variables internas a mantener con tra pérdidas de tensión, etc.
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La tabla de parámetros es específica para cada programa, y es grabada con el mismo cuando se transfiere al au tómata.
1902
Tabla 10.4. Ejemplo de asignación de direcciones.
10.5. L E N G U A JE S B O O L E A N O S Y LIS T A D E IN S T R U C C IO N E S
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PROGRAMACIÓN DIL AUTÓMATA
- A N D (unción producto lógico - N O T función negación complementadas con instrucciones de inicio de sentencia y asignación de re sultados: - L O D leer variable inicial - O U T enviar resultado a salida y de operaciones de bloques (parén tesis): - O R L O D coloca bloque en para lelo A N D L O D coloca bloque en se rie, En operación normal, el autómata necesita algunas otras instrucciones como ampliación del lenguaje booleano, que le permitan manejar elementos de uso común en automatización. Son éstas las instrucciones secuenciales pre definidas: — T1M definir un temporizador — C N T definir un contador — S E T activar una variable binaria (unidad de memoria) — R S T desactivar una variable bi naria. Además, la mayor parte de autó matas incluyen extensiones al lenguaje booleano básico descrito, que permiten h manipulación de datos y variables digitales y la gestión del programa. Es tas extensiones, que se tratan en ca pítulos siguientes como bloques fun cionales, pueden clasificarse en: • Instrucciones aritméticas — A D D sumar S B B restar — M U L multiplicar — D IV dividir •
Instrucciones de manipulación de datos: — C M P comparar variables digita les — S F R rotaciones de bits (variables binarias) S H IF T rotaciones de palabras (va riables digitales) — M O V transferencias de datos — B C D / B IN conversiones de códi gos numéricos, etc.
•
Insin uad nos (le gestión de programa: — E N D fin de programa JM P salto de bloque de programa — M C S habilitación de bloque de programa — JM P S L IB sallo a subrulina, etc.
Las instrucciones aritméticas y de manipulación de datos admiten múl tiples variaciones: - aritmética binaria o BC D . — instrucciones lógicas sobre pala bras (8 o 16 bits), — transferencias entre bloques de palabras, — codificación a salida en 7 segmen tos, - instrucciones de direccionamiento indirecto, - instrucciones trigonométricas, etc. Al lenguaje resultante, que no puede llamarse ya booleano después de am
pliarlo con estas extensiones, se le de nomina de lisia de instrucciones («Instruction List»), Algunos fabricantes amplían las ca pacidades de programación de sus au tómatas de gama baja con estas ins trucciones avanzadas, que serían de más lógica aplicación en autómatas de superiores prestaciones. El tiempo de ejecución resultante (tiempo de «sean») sobre C P U básicas desaconseja su em pleo en la mayoría de ocasiones. Sin embargo, disponible ya el firmware ca paz de interpretarlas, desarrollado para otros autómatas de la familia, cuesta bien poco introducirlo en las versiones básicas aunque no sea más que por motivos comerciales de competencia. La tabla 10.5 siguiente muestra un listado de las instrucciones básicas dis ponibles sobre un autómata de gama media, el FA-2J Júnior de Izumi. Estas instrucciones se complemen tan con otras de computación, que pue den ser:
labia 10.$. Instrucciones básicas del autómata Izumi FA-2J. INSTRUCCIÓN
DESCRIPCIÓN
LOD
lee estado de variable binaria, E /S o interna
AND
función lógica A N D
OR
función lógica O R
OUT
envía resultado sentencia a variable binaria
M CS
función relé maestro de control
M CR
final de función de relé maestro
SO T
delecta flanco de subida de una señal
T IM
define temporizador con retardo a conexión
CNT
define contador ¡ncremental de sucesos
SFR
define registro desplazamiento sobre n bits
EN D
indica final de programa
SET
fija una variable a estado « I»
RST
fija una variable a estado «0»
JM P
inicio de salto de programa
JE N D NOT OR LO D A N D LO D
final de salto de programa niega o complementa una variable lógica conecta dos bloques de programa en paralelo conecta dos bloques de programa en serie
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AUTÓM ATAS PRO O RAM ABLKS
•
Básicas: — Operandos predefinidos — Aritmética B C D
•
A vanzadas: — Operandos cualesquiera — Aritmética de 16 bits — Direccionam iento indirecto, etc. Ejemplos de instrucciones de com putación básica sobre este autómata son:
— JC V T H Conversión B C D a bi nario — J C V T D C onversión b inario a BCD JA D C Suma del registro DRO (acumulador) con un operando — J S B B Substracción al registro DRO de un operando JC M P Comparación del registro DRO con un operando — JO L D Transferencia de operando a DRO JO S T Transferencia de DRO a un operando J IN C Incrementar operando, etc. V en computación avanzada: T A D D 3 Suma de cuatro dígitos entre operandos cualesquiera — W C M P Comparación de un ope rando con un intervalo — P D C M D Salida de datos A S C II a impresora — W 12IM Transferencia del operan do (dato), cuya dirección (origen) está contenida en un registro al operando cuya dirección (destino) está contenida en otro registro, etc.
tor de símbolos gráficos. Normalmente este editor incluye restricciones en cuanto al número de contactos o bo binas a representar en cada linea, la ubicación de los mismos, la forma de las conexiones, etc. Siendo los contactos de relés com ponentes de dos estados, asignados a los valores lógicos: 0: contacto abierto I : contacto cerrado las equivalencias de la tabla 10.6 per miten definir sobre ellos un álgebra de Boole, denominada usualmente álge bra de contactos. Esto significa que cualquier función lógica puede ser transcrita directa e in mediatamente a diagrama de contactos y viceversa, transcripciones de utilidad cuando se trata de visualizar gráfica mente un programa escrito en lenguaje booleano. Sin embargo, el diagrama de con tactos, de origen norteamericano, no nació como una posible herramienta de visualización de programas ya escritos en lista de instrucciones, sino como transcripción directa de los esquemas eléctricos de relés (circuitos de mando) de uso común en la automatización previa a la aparición de los sistemas programables. Por esta razón, los diagramas de con tactos incluyen desde sus orígenes blo ques funcionales que ya aparecían como elementos propios en aquellos esquemas, los temporizadores y los contadores.
10.6. D IA G R A M A S DF. C O N T A C T O S E l lenguaje de contactos expresa las relaciones entre señales binarias como una sucesión de contactos en serie y en paralelo, según las equivalencias que se muestran en la tabla 10.6. Adoptado por muchos fabricantes de autómatas (norteamericanos y japone ses, principalm ente) como lenguaje base de programación, el diagrama de contactos («Ladder Diagram») puede ser introducido directamente en la uni dad de programación mediante un edi
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Utilizando estos bloques, sobre los cuales pueden definirse la base de tiempos y el tiempo final en el caso de temporizadores y el módulo de contaje y condiciones de paro y reset en el caso de contadores, el lenguaje de contactos permite programar directamente cual quier esquema eléctrico de relés. Sin embargo, y al igual que ocurría en los lenguajes booleanos, también en éste se desarrollan bloques funcionales complejos que permiten la manipula ción de datos y las operaciones con va riables digitales de varios bits. La presencia de estos bloques, de ejecución dependiente de una o más condiciones binarias, multiplica la po tencia de programación sin dejar de mantener las ventajas de la represen tación gráfica del programa. Así, pue den programarse situaciones de auto matización compleja que involucren variables digitales, registros, transferen cias, comparaciones, señales analógi cas, etc. Por supuesto, y al igual que ocurre con las extensiones al lenguaje boolea no, no todos los autómatas, aun del mismo fabricante, pueden manejar to das las posibilidades de programación con contactos: sólo las gamas más altas acceden a la totalidad de extensiones del lenguaje, quedando las restantes li mitadas al empleo de partes más o me nos significativas de él. En la figura 10.12 aparecen algunos elementos gráficos utilizados en un cierto lenguaje de contactos, el Sysmac Serie C de O M R O N , clasificados en:
CONTACTOS •1* apertura -H l—
— cornados — bobinas — bloques funcionales bloques operativos.
dec.er re
Los contactos comprueban el estado de las variables asociadas: puntos de entrada/salida, relés internos o tem porizadores y contadores. Pueden ser de dos tipos:
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— contactos de apertura: indican va riable normalmente (en reposo) desactivada, — contactos de cierre: indican varia ble normalmente (en reposo) ac tivada. Las bobinas envían el resultado de la operación lógicu ejecutada a un relé in terno o de salida. Pueden ser de varios tipos: — directa: asigna el resultado a una variable binaria, — inversa, o negada: asigna el com plemento del resultado a una va riable binaria, puesta a «1»: pone a «1» con me moria una salida o relé interno («set»), — puesta a «0»: pone a «0» con me moria una salida o relé interno («reset»), — de salto: indican un salto en el programa que ignora las senten cias saltadas.
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Figura 10.12. Lenguaje de cantados de OMRON Sysmac Serie C.
y algunas otras especiales son las si guientes: — fin programa: indica ei final de sentencias a ejecutar, — de diagnóstico: almacena el nu mero «»» de error definido y pro voca (F A L S ) o no ( F A L ) la parada del autómata, — paso a paso: permiten la ejecución de programas subdivididos en «pasos» o etapas, — de flanco: activan una variable du rante un «sean» (« a » en el ejem plo de la fig. 10.12), en el flanco de subida del valor de la sentencia ( D IF U ) o en el de bajada (DlF U N ). Los bloques funcionales realizan fun ciones seeuenciales típicas de auto matismos:
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— temporizadores: retardos a la co nexión medidos en décimas de se gundo, — contadores: de tipo decreciente o reversible. — registros de desplazamiento: ro taciones de bits entre los canales inicial y final. Las preselecciones de temporizadores y contadores pueden ser constantes del programa o valores B C D (4 dígitos) leídos en un canal de entradas (datos exteriores). Los bloques operativos permiten rea lizar tratamientos numéricos sobre va riables digitales (palabras): — operaciones aritmético/lógicas, — comparaciones, conversiones de código, transferencias, etc. Ejemplos de bloques operativos pue den ser: — W S F T : desplazamientos entre ca nales inicial y final, — C M P : comparaciones entre varia bles o constantes de 4 dígitos. El resultad o de la com p aración (igual, mayor o menor) está aso ciado a un relé interno especial, B C D : conversión de datos bina rios de 16 bits en 4 dígitos BC D , — SB S: llamada a una subrutina del programa. — M E S S A G E : lectura de los dalos A S C II contenidos sobre 8 canales (2 caracteres. 16 bits por canal), y visualización sobre la unidad de programación o consola de explo tación. La figura 10.13 muestra un ejemplo de programación con diagrama de con tactos a partir de un esquema eléctrico de arrancador estrella-triángulo (obsér vese la representación del contacto de paro, cerrado en reposo). Para mostrar la potencia de los lenguajes extendidos, se añade una condición de alarma de valor mínimo de velocidad en el eje, medida con un tacómetro (5000 r.p.m., 10 V cc) desde la entrada analógica (0 a 10 V tc, 10 bits) conectada en el canal 3, con visualización de un mensaje de error sobre la consola conectada al au tómata.
AUTÓMATAS
Fn muchas ocasiones, sobre todo trabajando con unidades de progra mación basadas en PC, el fabricante del software ya ha previsto que el usuario programe alternativamente en lista de instrucciones o diagrama de contactos: existe una correspondencia directa en tre ambas formas de presentación, y puede pasarse de una a otra con ór denes sencillas de compilación/decom pilación del programa. Por ejemplo, el listado de instrucciones corrcspondien-
te al p rogram a an te rio r sería: LD M archa LD KLM AND Paro ORLD OtJT KLM LD KLM AND-NOT KMT AMD-NOT TIM2 OUT KME LD KML KME AND-NOT AND TIM2 TIM 1 #0005 LD TIM1 OÜT KMT LD KLM TIM 2 #0100 LD KLM CMP(30> 003 #0266 LD KLM AND 2550? OUT 4000 LD 4000 MSG(46) DM00 END
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NOTA- F a lta la astg oo ctó n de de d ire c cio n e s E / S
Figura 10.13. Ejemplo de programación con diagrama de contactos. Algunos de estos símbolos norma lizados, correspondientes a las funcio nes más frecuentes, se dan en la figura 10.15 La programación por diagramas ló gicos, que deriva de la representación por logigrama habitual entre los téc nicos en electrónica digital, incluye como bloques normalizados algunas funciones secuenciales típicas en au tomatización, como temporizadores y contadores, e incluso algunos bloques combinacionales v de tratamientos nu-
Id e n tilica d o r
10.7. P L A N O DF. F U N C IO N E S F.l diagrama lógico o plano de fun ciones es la representación de las tareas de automatización utilizando los sím bolos contenidos en las normas D IN 40700 y D IN 40719, cuya forma general se presenta en la figura 10.14.
H
P o ro
H H f4 f
Figura 10.14. Símbolo lógico normalizado. Nótese cómo en el listado anterior falta la asignación de direcciones a las variables del programa.
KM L
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Sím bo lo s reiottvos a la s en trad as y la s s a lid a s
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méricos, como multiplexores, demultiplexores, sumadores, multiplicadores, etc., pero no alcanza la multitud de funciones que han ido añadiéndose a las listas de instrucciones y diagramas de contactos, como extensiones a estos lenguajes. Por esta razón, y en sentido estricto, la programación por diagramas lógicos queda reservada a aplicaciones en las que sólo intervengan variables booleanas todo-nada, y algunos bloques se cuenciales elementales: temporizadores, contadores, registros de desplaza miento. etc. Esta circunstancia, unida al desco nocimiento del diagrama lógico por parte del usuario habitual del autó mata, explica la baja difusión de estos lenguajes de programación. La figura 10.16 muestra un ejemplo de programación con plano de funcio nes, comparado con el mismo progra ma en diagrama de contactos, según los lenguajes gráficos STF.P 5 de Sie mens. Dada la inexistencia, antes comen tada, de bloques normalizados para to das las posibles operaciones del autó-
PROGRAMACIÓN DIL AUTÓMATA k fi
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A lg u n o s s ím b o lo s lógicos.
nata, los fabricantes han optado por permitir el uso, en sus consolas gráfi.ds. de los bloques de extensión defir.idos en el diagrama de contactos, aun rabajando bajo el entorno de diagrama logico: el lenguaje resultante resulta un ibrido que recoge toda la potencia de -rogramación del autómata, y en el que :ada usuario puede elegir la forma de ^presentación que prefiera para las unciones básicas (A N D , OR, N O T, T IM , etc.). Mgunas unidades de programación Pasadas en ordenador (específico de fa bricante o PC de uso general) permiten usuario definir sus propios bloques «■cíeos a partir de los preexistentes, reando nuevas funciones (macrobloques) que pueden ser incorporadas al tenguaje. La figura 10.17 muestra un ejemplo ie programa escrito con estos lenguajes ¡oridos, desarrollado con un software específico de programación de autó matas que corre sobre ordenador pervinal.
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b) Ejemplo de programa en diagrama de contactos
Figura 10.16. Lenguqjes gráficos STEP 5 de Siemens. Figura 10.17. Programación combinada funciones /contactos. T e m p o riz a d o re s d e a v a n c e rá p id o
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D e c r e m e n ta r e g is tr o DRO - 5 im p u ls o s / s s» lA o 15 p u ls a d a s m á s de 1 s - 10 im p u ls o s / s si U o 15 p u ls a d a s m á s de 3 s
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IO.K. L E N G U A JE S D E A LT O N IV E L Con C P U cada vez más rápidas, más potentes y de mayor capacidad de tra tamiento, los autómatas de gamas altas invaden aplicaciones luista hace bien poco reservadas a los miniordenadores industriales. Para estas aplicaciones, los lenguajes tradicionales en lista de instrucciones (IL ) o diagrama de contactos (L D ) re sultan ya insuficientes, aun mejorados con las expansiones comentadas en apartados anteriores. Por esta razón, los fabricantes han desarrollado lenguajes de programa ción próximos a la informática tradi cional, con sentencias literales que equivalen a secuencias completas de programación: son los lenguajes de alto nivel. En ellos, las instrucciones son líneas de texto que utilizan palabras o sím bolos reservados (S E T . A N D . FO R. etc.), las operaciones se definen por los símbolos matemáticos habituales (+, *, <, etc.), y se dispone de funciones tri gonométricas, logarítmicas y de mani pulación de variables complejas (C O S. Pl, R E A L , IM G....). Sin embargo, lo que distingue real mente estos lenguajes avanzados de las listas de instrucciones ampliadas son las tres características siguientes: son lenguajes estructurados, donde es posible la programación por bloques o «procedimientos», con definición de variables locales o globales, — incluyen estructuras de cálculo re petitivo y condicional (figura 10.18), tales como: -
F O R ... TO R E P E A T ... U N T IL X W 1 IIL E X ... IF ... T H E N ... E L S E
— disponen de instrucciones de ma nipulación de cadenas de caracte res, muy útiles en aplicaciones de gestión, estadística, etc. Dada su facilidad de manejo y su di fusión a todos los niveles, el B A S IC , convenientemente adaptado a las apli caciones del autómata, se configura como el lenguaje de alto nivel más ex-
REPEAT
t A ) UN T IL ( X !
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Figura ¡0.18. Estructuras de programación en alto nivel. tendido. Sin embargo, también se pue den encontrar intérpretes o compila dores de C, P A S C A L , F O R T R A N , etc., lo que permite resolver tareas de cál culo científico en alta resolución, cla sificaciones de datos, estadísticas, etc., con total facilidad, y con acceso además a módulos y subrutinas específicos ya escritos en estos lenguajes y de uso ge neral en aplicaciones informáticas. Dado lo específico de su aplicación, un programa escrito en alto nivel ne cesita para su edición de una unidad de programación avanzada, o de un soft ware de desarrollo de programas que corra sobre PC. Adicionalmente, es frecuente que el empleo de estos lenguajes estructura dos obligue además a utilizar no sólo una unidad de programación tipo PC, sino incluso una C P U especial en el autómata (coprocesadora), del tipo des crito en los apartados 6.2 y 6.3.1, capaz
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de interpretar y ejecutar las nuevas ins trucciones. En cualquier caso, los lenguajes de alto nivel son posibilidades adicionales al alcance del programador, que puede, si así lo desea, utilizar sólo las formas básicas de contactos/bloques o lista de instrucciones para escribir sus aplica ciones: en otras palabras, los lenguajes avanzados nunca constituyen el len guaje básico de un autómata o familia de autómatas, papel que queda reser vado a la lista de instrucciones o al dia grama de contactos. La tabla 10.7 muestra las instruccio nes del intérprete B A S IC disponible sobre los autómatas Festo F P C 405. clasificadas en: — Operaciones generales: comandos de actuación B A S IC sobre bits, palabras, o textos, directos (S E T , L E T ....) o con dicionados ( IF , FOR....). — Operaciones de conversión: Cam bios de código, obtención de mó dulos. etc. — Operaciones matemáticas: Opera ciones logarítmicas, trigonométri cas. aritméticas, etc. — Operaciones de control de progra ma: Saltos y subrutinas. Como puede observarse en la tabla, los comandos que aparecen son en su mayoría los de uso normal del B A SIC . La figura 10.19 muestra un ejemplo de programación con este lenguaje. Como se observa, una ventaja adicional del programa en alto nivel es que a él se puede transcribir, casi literalmente, el diagrama de flujos que constituye la primera aproximación a la representa ción del sistema de control. Esta ven taja, que evita pasar a algún otro mo delo o transcribir este inicial a otro len guaje, supone sin duda un importante ahorro de tiempo en la puesta en mar cha de la aplicación. Debe indicarse que algunas de las sentencias literales de alto nivel están disponibles en lenguaje de contactos como bloques de función extendidos, y viceversa: de esta forma, el fabricante asegura la compatibilidad entre ambos lenguajes, y aprovecha mejor el soft ware máquina («firmware») desarrolla do (figura 10.20).
PR O G R A M A C IÓ N DEL AUTÓMATA
IN ST R U C C IO N ES G EN ERALES
C O N V E R S IÓ N
M A T E M Á T IC A S
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Tjbia 10.7. Instrucciones BASIC del autómata Festo FPC 40$.
bl Program a en B A S IC
10.9. R E S U M E N Programar un autómata consiste en ■traducirle una secuencia de órdenes instrucciones) obtenidas desde un moJelo de control, según una codificación determinada (lenguaje) que por su for ma puede ser: - literal, o de textos. — gráfica, o de símbolos. Cada instrucción del programa cons•j de dos partes: el código de opera ción, que define que se debe hacer, y e 1 código o códigos de los operandos generalmente identificados por su di rección), que indican las constantes o ariablcs con las que se debe operar. Los lenguajes literales están forma dos por secuencias de textos agrupados ;ri instrucciones u órdenes elementales Jel programa. Según la complejidad del lenguaje, :^tán disponibles instrucciones desde -encillas funciones booleanas (A N D , OR. etc.) hasta estucturas complejas de programación en alto nivel (FOR... N H XT, W H IL E , etc.), pasando por ins
trucciones de acceso a bloques secuen ciales (T IM , C N T . etc.) y de manipu lación de textos y valores numéricos (A D D , M O V . M U L . etc.). Los lenguajes gráficos, con origen en los esquemas eléctricos de relés y en los diagramas de la electrónica digital, utilizan símbolos de contactos/bobinas
Figura 10.19. Programación en alto nivel. para representar las instrucciones bá sicas, y símbolos de bloques lógicos para las extensiones al lenguaje, que extienden su potencia hasta la de los lenguajes literales de alto nivel. De esta
Figura 10.20. Compatibilidad entre los lenguajes de contactos y de altó nivel Iejemplo Télémecaniquel. IF
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forma permiten estructuras de progra mación tan complejas como aquellos, sin perder por ello la facilidad de com prensión y visión de conjunto que ofre ce siempre la representación gráfica. Ninguno de los lenguajes descritos resulta, en principio, superior a los de más depende siempre de la aplicación a que se destina. Así, la automatización de procesos comunes (mando de máquinas, cade nas de producción, etc.) puede hacerse con diagramas de contactos o con listas de instrucciones, los dos lenguajes bá sicos para la mayoría de autómatas. De hecho, es tan frecuente el uso de uno u otro, que muchos fabricantes ya pre ven en su software de programación sobre PC la posibilidad de transcodi ficación entre ellos, con operaciones sencillas de com pilación/decompila ción. De esta forma, el usuario puede trabajar con el lenguaje que prefiera y compilarlo, si fuera necesario, al que entiende su autómata. Para mandos complejos, que nece siten realizar cálculos, manipular largas cadenas de caracteres o utilizar subrutinas o bloques de programación
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manufacturados (mando de ejes, re gulación P ID . etc ), puede ser necesa rio utilizar lenguajes literales de alto nivel, que permiten también, no se olvide, programar sentencias boalearias sencillas o manejar temporizadores y contadores como listas de instruccio nes. Utilizados originalmente de forma independiente unos de otros, la ten dencia actual de los fabricantes pasa por la integración de las diferentes formas en un único lenguaje mixto, que com bine la claridad de los lenguajes grá ficos para las funciones combinacionalcs y sccuenciales, con la potencia y compacidad de los literales para el cálculo matemático y los tratamientos de textos. Para ello, se siguen los siguientes pa sos: Potenciar los lenguajes gráficos, permitiendo el uso de estructuras de p ro g r a m a c ió n a v a n z a d a (G R A F C E T ) y aumentando las instrucciones de expansión dis ponibles. - Permitir la utilización de lengua-
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jes literales dentro de un progra ma gráfico, bien incluyéndolos como lineas de instrucción dentro del programa, bien editándolos como subrutinas de libre acceso desde él. Desarrollar herramientas de edi ción que permitan al usuario de finir sus propias sentencias, que podrá almacenar como bloques de expansión dentro de la librería disponible. En general, y como conclusión, se espera una evolución de los lenguajes gráficos haciéndolos más potentes, más abiertos y más sencillos de manejar por el usuario, que, cada vez en mayor me dida, podrá desarrollar sus aplicaciones sobre terminales de uso general tipo PC. 10.10. R E F E R E N C IA S |l| Autómatas Programables Industriales ( ¡ Mieliel. P.d. Mureombo, 1990 |7| Autómatas Programables Sene Prodúctic.i núm. -A A. Mayol i Badia. Kd. Matvomho. 1987. |3| Los Automatismos Programables Varios au tores. Rd Cilel'. 1001
PR O G R A M A C IÓ N 01 BLO Q U ES FU N CIO N ALES
11. PROGRAMACIÓN DE BLOQUES FUNCIONALES ll . l. IN T R O D U C C IO N Va se ha comentado en el capítulo interior la existencia de bloques fun,"nales, más o menos complejos, que lamentan la potencia de cálculo del au>mata y simplifican la programación, ii añadir al lenguaje básico sentencias ^programadas que son de uso general •n automatización (temporizadores, ransferencias, etc.). Estos bloques, que pueden ser pro gramados dentro de un diagrama de . ntactos o como sentencias literales ;n una lista de instrucciones o lenguaje : alto nivel, se clasifican en dos gru> s. atendiendo a su forma de opera . n y disponibilidad en el programa: Hinques seatenciales básicos, de uso general incluso en autómatas de gama baja. Son los biestables, temporizadores, contadores y re gistros de desplazamiento. - Bloques de expansión (también lla mados funciones), que aumentan la potencia del lenguaje al permitir manipular variables numéricas y registros de datos, con instruccio nes aritméticas, de comparación, transferencias, etc.
Los primeros pueden considerarse romo parte de los lenguajes básicos de . "mata, mientras que los segundos - n extensiones de ellos. 'dos estos bloques funcionales son «."tencias preprogramadas de aplica■n general, es decir, el usuario debe j,ijptarlos a sus necesidades indicando us condiciones de trabajo: valores de •e-nporización, direcciones de origen y ¿slino de la transferencia, nombre (d¡vcciones internas) de los registros con 'S que se desea operar, etc. En su caso más general, los bloques presentan tres tipos de variables aso rdas (figura l l . l) :
finen la habilitación y control del bloque. — Operandos de /unción. sobre los que actúan las sentencias prepro gramadas en el bloque funcional. — Salidas asociadas, cuyo estado de pende de la ejecución de la fun ción del bloque. Los operandos de función pueden a su vez ser de dos tipos: — Parámetros iniciales, que una vez fijados por programa o transferi dos desde consola permanecen normalmente inalterados. — Datos de operación, variables o constantes contenidas en palabras de 8 o 16 bits que reflejan el es tado de entradas/salidas, valores internos, resultados, etc. Estos datos, numéricos o alfanuméricos, que aparecen como operandos pueden corresponder a: — números o caracteres A S C II cons tantes definidos en el programa, — textos preprogramados escritos en alguna unidad de memoria o dis positivo exterior.
Finura ll.l. Estructura de un bloque funcional.
— Condiciones de operación, que de
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- variables numéricas (el caso más frecuente), en: - registros internos, temporizadores o contadores (valores actuales), - canales de datos de 8 o 16 bits de entrada o salida (por ejemplo, datos binarios re sultantes de la conversión A/D en una entrada analó gica). Aunque los datos internos maneja dos por el autómata siempre son bi narios. el usuurio puede definirlos en su programa sobre distintas bases: de cimal, hexadecimal, B C D , etc., encar gándose el intérprete de su conversión automática al binario para su opera ción. La programación más frecuente de un bloque funcional (sobre todo en los más complejos) lo considera como ele mento de un diagrama de contactos (como muestra la figura ll . l) , aunque algunos fabricantes permiten también su empleo literal en lista de instruccio nes, con reglas de sintaxis más o menos rígidas. Se indican a continuación las es tructuras, características y aplicaciones
AUTÓM ATAS M tO G ItA M A SLKS
de los bloques de uso más frecuente sobre autómatas programadles.
11.2. B L O Q U E S S E C U E N C IA L E S B Á S IC O S Los bloques seeuenciales son ele mentos preprogramados por el fabri cante cuyas variables ocupan posicio nes reservadas en la memoria interna del autómata (áreas), por lo que el nú mero total disponible de ellos dentro de un programa es siempre limitado. Los bloques seeuenciales más fre cuentes, incorporados en prácticamente todos los lenguajes de autómata, son: — — — — —
bicstables, temporizadores, contadores, registros de desplazamiento, y secuenciadores paso a paso.
Los biestables, registros y secuenciadores modifican la información de sus salidas según la secuencia que se pre sente a sus entradas, mientras que los temporizadores y contadores llevan im plícitamente asignadas dos informacio nes numéricas distintas:
Por esta definición, el biestable es el elemento secuencial más sencillo, ca paz de mantener un mismo estado ló gico para distintas combinaciones de sus entradas de mando: como este es tado depende de la secuencia de valores de entrada, y no de su combinación actual, se dice que el elemento posee «memoria» y, en efecto, en muchos lenguajes de autómata se denomina a esta función célula o relé de memoria («Keep Relay»), La permanencia del biestable en un estado automantenido se debe a la pre sencia de una realimentación interna, definida por el usuario si construye la función a partir de elementos combi nacionales estándar, o transparente para él si utiliza el bloque funcional pro puesto por el fabricante. La figura 11.2 muestra una estructura de biestable o memoria construida se gún la primera opción, con puertas ló gicas y diagrama de contactos, junto con el listado de programa correspon diente. Como se observa en la figura, cuan do ambas entradas Set y Reset (puesta a «1» y puesta a «0») permanecen inac
— los valores de preseleccion (tiem po y módulo de cuenta), - los valores actuales, contenidos en cada momento del programa. En las operaciones de lectura, estos elementos entregan el valor actual con tenido, mientras que en las de escritura modifican su preseleccion con el valor recibido. La información contenida en los blo ques seeuenciales puede ser reinicializada al valor por defecto tras una pues ta en marcha o reset, o mantenida en sus valores actuales si se le ordena al autómata mediante sus funciones de parametrización (excepto los tempori zadores, que pierden siempre la temporización en curso). 11.2.1. Bicstahlcs Un biestable es un dispositivo capaz de mantener indefinidamente su esta do a 0 o 1 mientras e) autómata per manezca en R U N y no se ordene un pulso de mando que lo modifique.
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tivas (a cero), el elemento mantiene su valor anterior, mientras que la activa ción de una u otra lo hace cambiar al estado « I» o «0». La combinación S = R = I, órdenes simultáneas de Set y Reset, es por de finición contradictoria y no debería ser utilizada. Sin embargo, tal como su gieren los esquemas y el propio listado del programa, la ejecución del mismo en un autómata es secuencial y esto deshace la supuesta contradicción, puesto que las órdenes no son simul táneas sino sucesivas y por tanto el re sultado final es como si se hubiera pro gramado la última (Set o Reset). Si el usuario prefiere utilizar el blo que funcional definido por el fabrican te, tiene a su disposición las señales Set y Reset anteriores, bien sobre un blo que compacto, bien como sentencias separadas dentro del programa, como se ve en la figura 11.3. En el primer caso, la prioridad en las acciones puesta a uno y puesta a cero, viene dada por el fabricante (normalmente, Resel prio ritario), mientras que en el segundo de pende del orden de colocación de las sentencias.
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F'qura 11.1. Bloques funcionales biestables. El hiestable se utiliza típicamente como unidad de memoria, capaz de re . >rdar el estado de una señal aunque .sta haya sido de muy corta duración i pulso). El empleo de esta función compacta >> programas y simplifica la progra mación, pero el usuario debe recordar ,ue. una vez activado, y a diferencia de :s salidas simples de asignación O U T. única forma de desactivar un biesjble es ordenándolo de forma explí. la, con un Reset o por reinicialización nal del autómata, lo que, en progra>complejos de múltiples sentencias rn(relazadas, puede dificultar la depu•i.ión de errores y puesta a punto final. : 1.2.2. Temporizadores Un temporizador es un dispositivo -¡paz de retardar una orden de salida .-tivación o desactivación) durante un . : t o tiempo, en respuesta a una señal mando de entrada. ?’visten cuatro funciones distintas de
temporización, cuyas formas de onda en el tiempo se representan en la figura 11.4. Éstas son las siguientes.
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Impulsa: La salida se mantiene ac tiva mientras dure la señal de mando o condición de marcha, hasta un cierto tiempo máximo denominado tiempo de impulso. Relardo de conexión: La salida se retarda hasta que transcurra el tiempo de retardo. Es la función más frecuente. — Retardo a desconexión: La salida conecta simultáneamente con la entrada, y se mantiene hasta un tiempo después de caer aquélla, denominado tiempo de descone xión. — Monoestahle. o conformador de im pulsos: Semejante al impulso de conexión, la salida se mantiene activa, una vez activada la señal de mando, durante un tiempo cons tante e independiente de esta se ñal. el tiempo de impulso (figura 11.8a).
Estas funciones, o algunas de ellas, están disponibles como bloques fun cionales temporizadores dentro del len guaje de autómatas. Para su programación, los tempori zadores necesitan definir tres campos: — Nombre de la función, que define el tipo de temporización a utilizar. — Número de elemento, que indica su dirección en variable interna (un elemento dado sólo puede pro gramarse una vez por programa). — Parámetros de preselección, que concretan el valor total de la tem porización, a partir de los valores: — Módulo de tiempo, o nú mero de unidades a contar. — Base de tiempos, o frecuencia de conteo de unidades. Asi. se cumple que Tiempo total = Módulo X Base Fn muchos autómatas la base de tiempos está predefinida por el fabri cante (normalmente, en décimas de se gundo), por lo que no es necesario in dicarla en la programación. F.l módulo de tiempo puede ser una constante definida en el programa (pre-
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Figura ¡1.4. Fundones de temporizadón. selección inmediata), o un valor leído en un registro interno o palabra de en tradas/salidas, codificado en B C D (preselección indirecta). Los parámetros de preselección pue den ser modificados durante la puesta a punto o durante la explotación, in cluso con el autómata en R IJN . Estas modificaciones son activas mientras el autómata se mantiene bajo tensión, re cuperando los valores por defecto (en el programa) en cada puesta en marcha. Además de los campos anteriores, los temporizadores utilizan dentro de un programa: — una variable binaria de control, obtenida por consulta de una en trada o variable interna, o por combinación entre varias, - adicionalmente, una variable de salida que responda a la función temporizada.
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del diagrama, y del programa con len guaje Siemens S T E P 5 utilizando la función especial SV . Destaca la reduc ción de programa resultante al uiilizar esta función especifica. Los valores del módulo de temporización suelen oscilar entre 0 y 9999 (cuatro dígitos BC D , 16 bits binarios), que, para la base de tiempos de 0,1 s (muy frecuente), se convierten en temporizaciones de 0 a 999.9 segundos. Dada la mayor facilidad con que la C P U detecta el valor 0 sobre cualquier otro, los lemporizadores resultan ser. en general, descendentes:
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Figura ¡1.5. Bloque funcional temporizador. Si el temporizador aparece como bloque funcional dentro de un diagra ma de contactos, puede disponer de al guna otra línea adicional, como mues tra la figura 11.5, un temporizador tí pico del lenguaje de contactos PL7-2 de Télémecanique. En este bloque, la entrada de enclavamiento E mantiene el valor tempo rizado mientras esté a nivel alto, inclu so si la variable de control o mando C se desactiva, mientras que reinicializa el temporizador si se pone a cero. En general, sin embargo, los bloques lemporizadores son de construcción más sencilla, como muestra el ejemplo de la figura 11.6, un temporizador con retardo a la conexión programado si m ultáneam ente com o diagrama de contactos y lista de Instrucciones. Es muy frecuente que el lenguaje empleado disponga únicamente en su configuración más simple de la función de retardo a la conexión, aunque todas las demás pueden obtenerse a partir de ella. Por ejemplo, la figura 11.7 muestra los programas correspondientes, en diagrama de contactos, para implementar las funciones de impulso de cone xión y retardo a la desconexión. Otros autómatas (por ejemplo, Sie mens) disponen de funciones especi ficas de temporización, lo que permite obtener listados de programa más com-
b| lista de insouw oM ■ Figura 11.6. Programación de un temporizador con retardo a Ia conexión. pactos, aunque exigen mayor especialización por parte del usuario. La figura 11.8 muestra un ejemplo de programación de la función monoestable, indicando el esquema eléctrico de relés (con temporizador de retardo a la conexión), el diagrama de contac tos resultante, y los listados compara dos de la solución estándar obtenida
Cuando la señal de mando es ac tiva, el temporizador se decrementa desde el valor de preselección (módulo de cuenta). — Cuando se alcanza el tiempo pre fijado, el temporizador se mantie ne a cero hasta que desaparezca la señal de mando. — Cuando la señal de mando es cero, el temporizador se carga al valor de preselección (excepto si existen otras señales de mando: véase la figura 11.5). Si la línea o sentencia que contiene al temporizador es saltada durante la ejecución, no se detiene el contaje de tiempo, aunque la salida asociada no se
Figura 11.7. Funciones de temporización construidas con retardos a la conexión
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dos, minutos y horas utilizando varios elementos con base de tiempos 100 ms y valor máximo de preselección 9999. E l cálculo de las prescleccioncs de cada uno, por ejemplo para I hora, 5 mi nutos, 25 segundos, es como sigue: I h 5 min 25 s
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3600 s 300 s 25 s 3925 s —» preselección
= 39.250 (décimas de segundo)
activa hasta que el programa pase de nuevo por ella, en el supuesto que se ha alcanzado el tiempo de preselección. Por supuesto, el valor de tempori•ación final puede aumentarse o es calarse conectando dos o más tempo-
rizadores en serie, de forma que la ha bilitación (señal de mando) de cada uno la constituya el alcance de tiempo del anterior. Según este principio, la ligura 11.9 propone una temporización de segun
Se necesitan cuatro temporizadores, los tres primeros con preselección 9999 (2999,7 s en total), y el cuarto con 9253 (925,3 s), dependiendo el primero de la Condición de mando, y los siguientes del alcance del tiempo anterior. En general, los bloques temporiza dores más frecuentes, retardos a la co nexión e impulsos, no son acumulati vos: si desaparece la señal de mando, se pierde el tiempo acumulado hasta el momento. Este funcionamiento, que se corresponde con el de los relés elec tromecánicos o electrónicos conecta dos en los cuadros de mando, puede no interesar al usuario, que preferiría mantener el tiempo aun cuando des aparezca la señal de control, por ejem plo, en cronometrajes. La solución más eficaz en estos casos consiste en utilizar un reloj propio del autómata (relé interno especial) como base de tiempos, y activar con él un contador cargado con el módulo de seado: mientras lo permita la señal de mando, el contador incrementa su cuenta a la frecuencia del reloj, pero si se interrumpe la habilitación (o si ocu rre una pérdida de tensión) no se pier de el tiempo transcurrido, que per manece como valor contado. Una es tructura de este tipo, que puede con siderarse como de temporizador acu mulativo, se presenta en el apartado de descripción de contadores. Algunas aplicaciones típicas de tem porizadores son las siguientes: Generación de retardos o confor mación de impulsos. — Cronometrajes entre sucesos con secutivos. — Filtrado de señales (retrasando la lectura válida hasta un tiempo después de recibida la señal).
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AUTÓM ATAS PR O O R A M A SLI9
Obtención de tiempos de parada en maquinaria, para estadística, mantenimiento, etc. 11.2.3. Contadores Un contador es un dispositivo capaz de medir (contar) el número de cam bios de nivel en una señal de entrada, activando una señal de salida cuando se alcanza un valor prefijado. listan definidos dos tipos de conta dores: Contador incrementa/, que acu mula el número de impulsos re cibidos por su entrada de pulsos. C o n tad o r b id ire c c io n a i (U P / D O W N ), que acumula la diferen cia entre los pulsos recibidos por sus entradas de cuenta ascenden te y cuenta descendente.
Fn estos últimos existen, a su vez, dos versiones:
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— De entradas de pulsos separadas, U P (cuenta ascendente) y D O W N (cuenta descendente). — D e entrada de pulsos com ún (P U L S E ), y señal adicional de di rección de cuenta (IJ/D ). La operación del contador reversible es cíclica (... 9998, 9999, 0, 1 ,...), mien tras que el contador incrementa! se de tiene una vez alcanzado el módulo de cuenta. La figura 11.10 muestra las formas de onda temporales correspondientes a es tas tres estructuras de contador descritas. Obsérvese cómo en los contadores bidireccionales la salida se activa cuan do el valor contado es cero: no tiene mucho sentido detectar un valor de preseleccion que puede ser forzado en cualquier momento con la orden «Preset». Además, para evitar actuaciones pre maturas del contador, éste no actúa (no recoge impulsos y la salida está en O F P ) hasta que la señal «Preset» re corre al menos una vez la secuencia ON-OFF. Los bloques funcionales contadores definidos sobre autómatas, disponibles en todos los tipos anteriores, necesitan para su programación de los siguientes
campos:
c) Contador bidireccionai pulso/m odo
Figura 11.10. Formas de onda temporales de contadores. Nombre de /unción, que distingue entre contadores increméntales o bidireccionales. Número de elemento, que indica su dirección en variable interna. Puesto que los temporizadores y los contadores son conceptual mente muy semejantes (el valor de cuenta cambia en cada impulso externo, mientras que en los tem porizadores avanza según un reloj interno), muchos autómatas dis ponen de un área común para ubi carlos, y la dirección o número de elemento puede ser atribuida a
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uno u otro, aunque no a ambos simultáneamente en un mismo programa. Parámetros de preseleccion. que in dican el valor a alcanzar por el contador antes de activar la salida (módulo de cuenta, en los con tadores increméntales), o el valor de carga cuando se activa la señal de validación (preseleccion, en los contadores bidireccionales). Además, el bloque contador necesita de algunas señales binarias asociadas, como son las entradas de pulsos para
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tonteo, y las señales de habilitación o reset. Estas últimas siempre son prio ritarias sobre las entradas de pulsos. En la figura 11.11 aparece la progra mación, en diagramas de bloques, de los diferentes tipos de contador, con las señales asociadas. Si la programación se hace por lista de instrucciones, el fabricante puede mponer el orden de aparición de las sentencias, agrupando las señales co rrespondientes a un mismo contador en un orden preestablecido de obligado -umplimiento (opción más frecuente), dar un nombre propio a las señales •nvolucradas, que de esta forma pue den aparecer en cualquier parle y en cualquier orden dentro del programa. La figura 11.12 presenta ambas op ciones, correspondientes a los lenguaes de programación (en diagrama de bloques y lista de instrucciones) de los lutómatas izumi y Siemens.
El conteo de la señal de entrada se hace habitualmente por flanco o frente ascendente (si interesa el frente des cendente, bastaría con complementar la señal de entrada), de forma que sea cual sea la duración del impulso, el contador sólo cuenta la transición o cambio de estado. El módulo de cuenta o la preselec ción suelen estar limitados, como en los temporizadores, a un valor entre 0 y 9999 (16 dígitos binarios, en una pa labra o registro interno), y pueden ve nir dados, al igual que en aquéllos, por
figura 11.12. Distintas formas de programación de un contador bidireccional.
tura II.II. Bloques funcionales contadores.
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una constante en el programa, o por lectura desde una variable interna o de entrada/salida. Si fueran necesarias cuentas superio res a 9999. o subdividirla según pesos arbitrarios, pueden colocarse contado res en serie de forma que la salida de cuenta alcanzada de cada uno actuara como impulso de entrada al siguiente, al tiempo que provoca un autorreset en el contador. En este caso, el módulo total de cuenta será el producto de los m ódulos parciales. La figura 1113 muestra una disposición de este tipo, en la que tres contadores alcanzan un módulo de cuenta de 1000, organizado en pesos decimales. Aplicaciones típicas de los contado res son: — contaje de sucesos, para ordenar acciones de mando o disparar alarmas, — control de stocks, divisores de frecuencia, con un factor de división igual a módulo de cuenta: frecuencia de salida = frecuencia de entrada/módulo de cuenta, — estadísticas de producción (nú mero de piezas, paradas de má quina), etc. Una aplicación particular consiste en utilizar los contadores como tempori-
Hgura 11.13. Asociación de contadores en serie.
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permitiría, por ejemplo, conocer los tiempos de funcionamiento de una má quina, de una linea de producción, et cétera.
U n registro de d esp lazam ien to («Shift Register», S F T ) es un bloque funcional formado por una cadena de bieslables conectados en serie, de for ma que permiten el paso de bits (es tados) de uno a otro, sincronizado con una señal externa de reloj. El bit contenido en el último bieslable se pierde en la transición, mien tras que el primero pasa al estado de terminado por la entrada de datos. Por supuesto, las informaciones parciales contenidas en cada biestablc pueden ser leídas o consultadas desde cual quier punto del programa, y el conte nido total del registro puede ser for zado a cualquier valor con operaciones de transferencia de palabra o byle bi narios, o puesto a cero mediante su en trada de reset.
hgura 11.14. Temporizador mantenido contra pérdidas de tensión. zadores a base de introducir a la en trada de pulsos una variable interna de reloj. Puesto que el valor del contador puede mantenerse con una batería en caso de pérdida de tensión, la aplica ción permite construir temporizadores que mantienen su estado incluso en caso de pérdida de alimentación. La figura 11,14 muestra una dispo sición de este tipo, capaz de contar ho ras, minutos y segundos en una es tructura mucho más sencilla que la lo grada con temporizadores (ver la figura 11.9), y además con la información pro tegida contra pérdidas de tensión, tanto por parada voluntaria como por caida de la alimentación. Este esquema, fá cilmente ampliable hasta dias o meses,
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En aplicaciones donde sea necesario desplazar los datos tanto hacia la de recha como hacia la izquierda, se uti lizarán los registros de desplazamienu bidireccionales, cuya única diferencia con los anteriores consiste en la inclu sión de una señal de mando cuyo es-1 tado determina el sentido de circula ción de la información. La función registro de desplazamien-1 lo necesita los siguientes tres campo» para su programación: — Nombre de la Función, que la iden tifica indicando su carácter uni direccional o bidireccional. — Número de elemento, que indica su posición en la memoria interna. — Señales de entrada de reset. dalos y reloj. Algunos autómatas pueden disponer de registros de longitud variable. En este caso, el número de elemento se subdivide en dos campos, posiciones inicial y final de memoria (en unidades de bit o de palabra) sobre las que se define la función.
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Figura 11,16. l'udenu de control de calidad. un conjunto de órdenes o leyes de mando se ejecutan secuencialmente se gún la posición del bit activo (leva) dentro del registro. El proceso se convierte en cíclico si se realimenta la salida del registro con su propia entrada (figura 11.18). El bit o bits activos dentro del registro, que se desplazan secuencialmente por su interior, habilitan la ejecución de cada etapa de mando. El programa de la leva, definido por el estado de los bits internos del SF T , se carga en éste mediante una opera ción de transferencia de palabra en la puesta en marcha: a partir de este ins tante, la secuencia de unos y ceros se
repite indefinidamente mientras no se altere por un resel o una nueva trans ferencia. Si la entrada de pulsos se obtiene de un reloj, la leva se denomina de avance temporizado, y las secuencias de tiem pos de la salida se mantienen inalteradas. En caso contrario, las se cuencias de unos y ceros se repiten, pero los tiempos asociados pueden va riar según la frecuencia de los pulsos de mando. La lectura de la leva, que en el ejem plo de la figura 11.18 se realiza en el ultimo bit del registro, puede hacerse sobre cualquiera de los bits internos, o incluso sobre varios simultáneamente.
Figura 11.17. Programación de la cadena de control de calidad. ESTACIO N I ( S D
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La figura 11.15 muestra la progra mación de un registro de desplaza miento, como bloque funcional en un diagrama de contactos. Como agrupación de biestables que es, el registro de desplazamiento puede •*er programado por el usuario mediane instrucciones set/reset, combinadas •entualmente con un contador para definir procesos cíclicos. Esta razón >uede explicar el relativo bajo uso que le la función hacen los programadores i^hitualcs del autómata. Sin embargo. - potencia para el tratamiento de pro cesos secuenciales, y su facilidad de uso. le hacen merecedor de una mayor .tención. Por ello, se ha creido útil in t u ir aquí tres ejemplos de programa . en que demuestran las posibilidades de esta función. El primero de ellos, y tal vez el más ¿ racteristico, es el control de calidad en líneas de producción. Supóngase un producto manufactu ro .. por ejemplo, botellas de perfume, jue es sometido a tres comprobaciones una cadena de supervisión: nivel co lecto de producto, presencia de eti-i-jeia, y tapón colocado. Las compro * .iones se realizan sobre estaciones . nsecutivas, como muestra la figura ' i 16. que entregan un bit de salida - •: indicar presencia o ausencia de der-.t'i. niveles «1» o «0». L cls señales de salida son enviadas a .- registros de desplazamiento, SFT1, - T2 y SFT3, que reciben pulsos de *eloj sincronizados con el avance de las .ezas. De esta forma, cada registro tie\e almacenado el estado de las piezas resentes en la cadena, desde la esta-ión que le corresponde, y hasta el final je la misma. Un expulsor hidráulico colocado al nal de la cadena rechaza las piezas de: -tilosas, identificadas por los bits co'respondientes en cualquiera de los tres -egistros: transcurridos 3, 2 o I pulsos ■unidades de avance), el producto de fectuoso, señalizado por las estaciones . 2 o 3, respectivamente, se encuentra najo el cilidro y éste actúa por lectura del bit de estado. El programa de control se presenta •-•n la figura 11.17. con las señales de reset y clock comunes a todos los re gistros. Otra aplicación típica es la de se-ucnciador o leva electrónica, en la que
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Figura 11.18. Construcción de una leva. lo que permite obtener secuencias iguales desfasadas en el tiempo. El ejemplo mostrado se refiere a una sola leva, de tantos pasos como posi ciones tenga el registro. Si se desean varias de ellas (árbol de levas), se uti lizarán tantos S F T como sean nece sarios, cada uno con el programa o se cuencia específica, pero con los im pulsos de mando comunes. Algunos fabricantes disponen ya de esta estructura como bloque funcional preconstruido, el programador cíclico. Un último ejemplo de aplicación, más específico que los anteriores, seria el control de posición de montacargas o ascensores. En este caso se necesita un registro bidireccional, que guarda en su interior un único bit activo cuya posición refleja la del elevador dentro de su recorrido. El programa en la figura 11.19 pre senta un ejemplo sobre un ascensor de seis pisos. Los registros de desplaza miento utilizados se definen, en sen tidos de avance directo (S F R ) e inverso (S F R N ), sobre las posiciones de bit I a 6, en el área de memoria interna re servada a estos elementos.
La decisión del sentido de movi miento se obtiene por comparación en tre el número de piso pulsado y la po sición del bit activo dentro del registro. Determinado el sentido e iniciado el movimiento, los cambios de piso des plazan en el sentido adecuado este bit dentro del registro. Para mayor seguridad, el alcance de las plantas inferior y superior fuerzan el contenido del Registro al valor co rrecto, 000001 o 100000 respectivamen te, aunque al realizarse las transferen cias indicadas sobre palabras de 8 bits, es inevitable la ocupación de R, y R s, que quedan invalidadas para otras apli caciones. Obsérvese la estratagema de progra mación que deja perm anentemente abiertas las lineas de reset y dato.
11.2.5. Secuenciadores paso a paso La función secuenciador paso a paso («Step by Step») hace posible el control secuencia! de procesos cuando estos pueden dividirse en diferentes pasos o etapas, de ejecución consecutiva y con dicionada al cumplimiento de condi-
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Figura 11.19. Control de posición de un elevador. dones de transición que fuerzan el sal to de paso. La ejecución de la instrucción o ins trucciones del bloque de programa o etapa asociada a cada paso se hace de pender de la activación del mismo, bien supeditándolo explicitamente al bit in dicador correspondiente (figura 10.20). bien limitando el programa con ins trucciones de inicio y final de bloque El arranque inicial se logra poniendo a «1» el primer bit de paso, por acción del operador o de forma automática por alguna condición previa. A partir de este instante, los saltos sucesivos entre etapas quedan fijados por la condición de fin de la anterior. Por supuesto, pue-
PR O G R A M A C IÓ N D I RLOQUK1 FU N C IO N A L!*
den definirse secuencias cíclicas indi cando un salto desde la última etapa a la primera. Recordando el funcionamiento del registro de desplazamiento, resulta fácil asociar el secuenciador a un caso par ticular de aquél, en el que sólo uno de los bits internos puede ser activo s¡-
ngura ¡1.20. Estructura de un secuenciador paso a paso.
PA SO I (in ic ia l)
Transición d«r paso )— PASO
PROORAMA DE PA SO *
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Transición de p a so 2 —
PA S O T ran sición de c a s o n
a)
— Eligiendo uno de entre los que le propone el fabricante, de longitud fija (por ejemplo, uno entre 32, con 16 bits cada uno). — Definiendo el o los que necesita, de longitud variable, sobre las po siciones que el fabricante reserva para este fin, (por ejemplo, 256 posiciones).
PROGRAMA PASO 2
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Pr oceso secuencial
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PASO 2
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PRO GRAM A
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Proqiumn
multúneamenle mientras la entrada de pulsos recoge las condiciones de tran sición sumadas con una O-lógica. La estructura lógica resultante, de un bit desplazándose bajo las condiciones de paso, se corresponde muy bien con la evolución temporal de muchos au tomatismos industriales. De hecho, de los tres ejemplos descritos en el apar tado anterior, de aplicaciones del re gistro de desplazamiento, dos de ellos, la leva secuencial y el control de po sición de un elevador, podrían haberse resuelto mejor con esta nueva función. Dentro de un programa, y según el tipo de autómata, el usuario puede de finir un bloque secuenciador de alguna de las siguientes formas:
< a
El secuenciador puede considerarse una macroinstrucción cuya programa ción necesita al menos de dos conjun tos de sentencias: — Selección tleí secuenciador. donde el usuario elige el que necesita en tre los que le propone el fabri cante, o define el suyo sobre el área prevista a tal efecto (direc ciones inicial y final), activa el pri mer paso de la secuencia y valida el funcionamiento del bloque. — Sallo de paso («Step»), que habi lita el paso s ig u ie n te y d es habilita el actual cuando se cum plen las condiciones de paso fija das. Adicionalmente, pueden existir sen tencias de inhibición de paso o de salto incondicional, que permiten el control asincrono de la secuencia (aunque, si no existieran, podrían programarse como condiciones adicionales en cada etapa). Una vez seleccionado el secuencia dor, y establecidas las condiciones de transición entre pasos, el usuario sólo tiene que supeditar los bloques o eta
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pas en que haya dividido el programa a los pasos deseados. La función secuenciador es típica en los lenguajes de autómata de fabricaníes japoneses. prefiriendo los europeos, en general, implementarla mediante se cuencias G R A F C E T o programadores cíclicos multilevas.
11.3. B L O Q U E S F U N C IO N A L E S D E E X P A N S IÓ N A diferencia de los bloques sccueneiales básicos, los bloques funcionales de expansión no están preprogramados sobre áreas de memoria interna, sino disponibles como macroinstrucciones del lenguaje de programación. Por tanto, su empleo no está limi tado por ninguna cantidad dentro de un programa, si bien los elevados tiem pos de ejecución que requieren (res pecto a las más simples instrucciones lógicas O. Y. NO |0R, A N D , NO T|) pueden hacer desaconsejable su uso extensivo cuando se necesiten ciclos de ejecución muy cortos. Los bloques de expansión, que re ciben diferentes nombres según los fa bricantes (bloques operativos, instruc ciones de computación, etc.), incluyen todas aquellas instrucciones que au mentan y mejoran la potencia de tra tamiento de la información por parte del autómata: transferencias, operacio nes aritméticas, comparaciones, etc., instrucciones que extienden los len guajes de autómata mucho más allá de las sencillas operaciones lógicas o blo ques secuenciales estándar. Una primera clasificación de estas nuevas instrucciones las divide en: — transferencias y — operaciones. Las primeras incluyen cualquier des plazamiento de información entre re gistros del sistema de autómata, mien tras que las segundas definen las ope raciones (aritméticas, lógicas, trigono métricas, etc.) realizadas sobre palabras de datos. Una definición tan amplia incluye en los bloques de expansión gran número de instrucciones y sentencias, aun cuando existan significativas diferen cias entre ellas: no es comparable, por
AUTÓM ATAS PKO O RA M A BLSS
ejemplo, una operación de división en tre dos registros de 16 bits (4 dígitos B C D ) en coma fija (unidades enteras), con una división en coma flotante so bre 32 bits (7 dígitos B C D más coma decimal de posición variahle). De hecho, puede realizarse una di ferenciación bien realista entre bloques de expansión atendiendo a su grado de disponibilidad: mientras que algunos de ellos, como los de comparación, aritmética simple, transferencias inter nas. etc., pueden considerarse como básicos dada su frecuencia de apari ción, otras operaciones avanzadas, como las aritméticas de coma flotante, operaciones trigonométricas, comuni caciones entre autómatas y otros sis temas. etc., están sólo disponibles so bre las máquinas de mayores presta ciones de cada gama, de aplicación en procesos que exigen la mayor potencia de cálculo y control. Esta división entre básicas y avan zadas puede también ser alcanzada considerando el tipo (magnitud) de operandos que utiliza la instrucción, que pueden corresponder a (figura 11 .2 1 ):
Bits individuales (variables bina rias). — Palabras o canales de 8 (byte). 16 (word) o 32 (long word) bits. — Bits dentro de una palabra. — Tablas o cuadros de palabras. — Bloques o áreas completas de me moria. Por supuesto, debe entenderse la fi gura 11.21 en su sentido amplio, que incluye dentro de los bits individuales tanto relés internos, especiales, auxilia res. etc., como indicadores de paso de secuenciador, o etapa G R A F C E T , por ejemplo, y dentro del área de palabras tanto los registros de datos como los dedicados a lemporizadores, contado res, registros de desplazamiento y ca nales de entrada/salida. Los dos primeros operandos enun ciados, bits y palabras simples, son pro pios de las expansiones básicas (arit mética en coma fija, comparaciones, complementación. etc.), mientras que ns tres últimos aparecen en las avan zadas (aritmética en coma flotante, comparaciones múltiples, transferen cias de información, etc.).
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Figura 11.21. Operandos en bloques de expansión. Asi, por ejemplo, existen instruccio nes (básicas) de rotación que giran un bit dentro de una palabra, y otras (avanzadas) que mueven una palabra dentro de una tabla, comparaciones (básicas) entre palabras, o (avanzadas) entre tablas, etc. Los siguientes apartados describen algunos de estos bloques de expansión que mejoran y completan los lenguajes de autómata.
11.3.1. Funciones de carga y transferencia Además de las señales lógicas todonada usuales en automatización, el em pleo de los bloques secuenciales des critos anteriormente obliga al autómata a manejar otro tipo de señales, las in formaciones numéricas de preselección y valor actual de temporizadores, con tadores, registros, etc. Aunque en las máquinas más sen cillas el usuario tiene sólo la posibilidad de programar y, evenlualmente, mo dificar estos valores de preselección desde la consola, muchos autómatas disponen de instrucciones de manipu lación de variables numéricas y alfanuméricas, no solamente para utilizar con aquellos bloques, sino también con las nuevas instrucciones aritméticas y de movimiento de textos que admi ten los lenguajes extendidos de progra mación.
222 www.FreeLibros.me
Fundamentalmente, estas instruccio nes de carga y transferencia permiten definir)/ desplazar informaciones (cons tantes, variables y textos) entre regis tros internos, bloques secuenciales (va lores actuales y de preselección), di recciones de entrada y salida, etc., e incluso entre el autómata y disposi tivos externos: memorias masivas, sali das serie y paralelo y visualizadores A S C II. La información tratada puede apa recer bajo diferentes formas, advirtien do de ello el formato de la operación, o el del propio operando. Por ejemph los autómatas Siemens distinguen en tre instrucciones como L K H (cargar una constante hexadecimal), L K T (car gar un valor B C D de preselección de temporizador). L E B (leer un bylc de entradas), etc. Como ejemplo de estas instruccio nes, en la figura 11.22 se ve una trans ferencia de datos según el lenguaje de contactos de Omron. entre un canal de entradas (16 bits) que comienza en la dirección 10, y dos canales internos mantenidos (direcciones 0 y Ó), con complemento a uno en la segunda transferencia. Aplicaciones típicas de las funciones de transferencia son: — modificación de preselecciones de lemporizadores y contadores, se gún señales binarias de mando.
PR O G R A M A C IÓ N D I R L O Q U IS F U N C IO N A L »
— lectura de informaciones digitales (8 o 16 bits) desde las entradas, — salidas de información digital alfanumérica, — apoyo a secuencias aritméticas, etc. También es posible desplazar no sólo dalos de 16 bits, sino bloques comple tos de ellos, utilizando las instrucciones de transferencia de bloques en aplica ciones como: — inicialización de áreas de memo ria, por carga de una constante en múltiples registros, — desplazamientos de bloques de dalos, por ejemplo, tablas. — acceso secuencia! a estructuras « F IF O » y L IF O » , sobre áreas de memoria específicas o definidas por el usuario, etc. Algunas instrucciones especiales, como las rotaciones o las de transco dificación, pueden considerarse ins trucciones de transferencia con modi ficación del contenido, girando la in formación a derecha o izquierda en el primer caso, o cambiando su código i BC D a binario, binario a B C D , horas a minutos, etc.) en el segundo. E l re sultado puede quedar depositado en el
Figura 11,22. Transferencia de datos entre canales E/S e internos. oooo H h
MOV
tO
MVN H R9 HRO
01 D iagram o de rnntactos LD 0000 MOV (21) -
10 HR 9
MVNIZZ)
— HR 9 HRO
10 l isto de instrucciones
mismo registro, o ser transferido a otro nuevo. Por último, los autómatas de gamas altas disponen de instrucciones de transferencia capaces de mover infor maciones entre la memoria interna del autómata y dispositivos externos:
-
CMr
If
fi C2 Cl>ci ct
— visualizadores (salida de mensa jes), — unidades externas de memoria, — puertos serie y paralelo del autó mata, etc. La presencia de estas instrucciones avanzadas permite al autómata comu nicarse con el mundo del usuario de forma tan eficaz a como lo hace con la planta, y sin coste añadido de tiempo de desarrollo para aquél: en efecto, con ellas puede dar salida a mensajes sobre visualizadores alfanuméricos o moni tores T R C . cargar sobre el autómata nuevas tablas de datos, parámetros o puntos de ajuste de producción, o in cluso transferirle programas completos, lo que permite diseñar aplicaciones en las que un programa se modifica a si mismo o se autosustituye completa mente, en programación «on-line» o de tiempo real. 11.3.2. Comparaciones de datos Las instrucciones de comparación (C M P ) comparan el contenido de dos informaciones numéricas de 16 o 32 bits, activándose una señal especifica para los resultados: — igual (=) — menor (< ) — mayor (> ) Según lenguajes, estas señales co rresponden a direcciones: — predefinidas por el fabricante, so bre relés internos especiales, — asignadas por el usuario, desde la misma instrucción. En el primer caso, debe tenerse en cuenta que los relés internos indica dores suelen ser comunes para todas las instrucciones de comparación usa das en el programa, por lo que es con veniente condicionar las salidas de cada comparación a la condición de habili-
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Figura 11.23. Instrucciones de comparación desacopladas. tación de la misma. Así, se evitan in terferencias entre comparaciones dis tintas dentro del programa. La figura 11.23 muestra dos com paraciones sucesivas, desacopladas se gún la consideración anterior Si es el usuario quien asigna las di recciones de salida de resultado de comparación, debe únicamente com probar que está utilizando direcciones distintas para cada operación. En algunos lenguajes, las instruccio nes de comparación permiten detectar directamente no solamente las condi ciones igual, menor o mayor, sino tam bién las combinaciones O (O R ) entre ellas: — menor o igual ( < ) — mayor o igual ( > ) — distinto (< > ) Una estructura de comparación es pecial es la de intervalo, en la que el usuario indica los umbrales 5j y Sj en tre los que la variable comparada ac tivará la salida, es decir.
AUTÓM ATAS PRO GftAM ASLKS
11.3.3. Instrucciones lógicas entre palabras
Finura ¡1,24. Comparación de intervalo. S, > variable > S, — salida ON
El umbral de comparación puede ser una constante, o una variable interna o leída desde las entradas. Una instrucción como ésta permite chequear fácilmente rangos de máximo y mínimo valor de una variable, por ejemplo, para disparar alarmas, esta blecer controles de calidad, etc. La figura 11.24 muestra una com paración de intervalo en la que el usua rio decide la variable de salida asociada al resultado. Las instrucciones de comparación multiplican la potencia de temporizadores y contadores, al permitir detectar estados intermedios de estos elemen tos, y no sólo los de cuenta o tiempo alcanzado. Asi, por ejemplo, distintos estados de una cuenta que utiliza las mismas señales de pulsos, reset y habilitación no tienen por qué necesitar diferentes contadores: basta uno solo, en el que los estados se detectan por compara ción a diferentes valores. E l ejemplo de la figura 11.25 muestra el control de un depósito, en el que interesa comprobar diferentes niveles de llenado, para estadística o reposición (supóngase un producto cuantificable en unidades). La entrada de «preset» permite car gar en el contador el contenido actual del depósito, introducido desde el ex terior (por ejemplo, con cuatro preselectores BCD ). Las instrucciones de comparación descritas operan sobre palabras de 16 o 32 bits, pero, al igual que ocurre con casi todos los bloques de expansión.
algunos lenguajes permiten otras po sibilidades. referidas a operaciones so bre tablas de palabras: — comparaciones múltiples de tablas de datos entre sí, — búsqueda (por comparaciones su cesivas) de una variable en una tabla, — determinación del máximo o mí nimo de una tabla, — contuje del número de veces que una cadena de bits aparece en una tabla, etc.
Estas instrucciones tratan los dalos en la palabra como cadenas Je hits, que son entonces operados dos a dos según las funciones O, Y. O-exclusiva v NO (OR, A N D . X O R y N O Tl. Aunque las instrucciones se definen normalmente sobre palabras de 16 o 32 bits, algunos lenguajes admiten cade nas variables de n bits a partir de uno dado. Por ejemplo, Télém ecanique PL7-2 permite el operando B l I(30), una cadena de 30 bits a partir del B 11. Las instrucciones lógicas entre pa labras necesitan de cuatro campos para su programación: — nom b re de la fu n c ió n (O R . AND,...), — palabra operando 1, — palabra operando 2, — palabra destino. Si intenta enviarse a la dirección de destino un valor fuera del rango que tenga asignado (por ejemplo, un valor mayor de 9919 a una dirección de preselección de contadores), aparece un error durante la ejecución.
fig,tira 11.25. Control Je depósito.
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nes aritméticas deben estar normal mente en B C D , aunque algunas má quinas admiten aritmética alternativa en códigos binarios. Posibles rangos numéricos para estas instrucciones se muestran en la tabla 11.1. Si el resultado de una instrucción de suma o resta desborda la capacidad del registro destino, aparece un acarreo («carry») sobre un relé interno especial. Cuando este bit es utilizado en una operación (operando 1 ± operando 2 + «carry» = resultado), debe asegu rarse su estado a cero o uno antes de ordenarse ésta. Para ello, existen ins trucciones especiales ST C , C L C (pues ta a uno o a cero, respectivamente), que permiten fijar su valor. Aunque por defecto el bit de acarreo queda a cero tras un resel, la precau ción anterior es obligada antes de em pezar a operar. En operaciones multiregistro, sin embargo, debe respetarse el estado del acarreo para que éste pue da afectar a registros posteriores de ma yor peso. Como se observa en la tabla, las ope-
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0 0 I 2 , „ fp = 0 O 0 " " T '0 0 ,'j O Ü 1 0 ' ii ' i
r,eura 11.26. Ejemplos de aplicación de operaciones tópicas entre palabras. Eslas instrucciones se utilizan en geeral para agilizar la programación y educir el tiempo de ciclo cuando las aeraciones sean repetitivas sobre va*ios bits: ocupa menos memoria, y se rjecuta más rápido, una instrucción ló¿ica entre dos palabras de 16 bits, que j > 16 instrucciones correspondientes bit a bit. En particular, O R - W O R D se utiliza - ira acumular valores sobre un regis:ro, por ejemplo, de alarmas, ANDW O R D para enmascarar parte de una palabra, forzando sus bits a cero, y X O R para invertir ciertos bits, por ejemplo, de salidas, cuando se cumple una condición. La figura 11.26 muestra algunos de estos ejemplos, de enmascaramiento de ios 8 bits superiores del registro DRO, y conmutación de los bits bl y b4 de a palabra de salida 200.
— operaciones trigonométricas (are) sen, eos, tg, — raíz cuadrada, — medias, medianas y otras funcio nes estadísticas, etc., con operandos muchas veces de más de una palabra, aparecen sólo en los lenguajes previstos para autómatas de gama alta. Los datos operandos en instruccio-
Tabla ll.l. Rangos numéricos para operandos. N ÚM ERO DE B IT S
NO M BRE
8 bits
Byie
16 bits
Palabra
BCD
BCD
R E G IS T R O S O C UPADO S
RANGO D E VALO RES
1
0 a 255
1
con carry suma: 0 a 19999
0 a 9999
resta: -10000 a 9999
11.3.4. Funciones aritméticas La capacidad de cálculo de los au tómatas programables es muy variada, dependiendo de su posicionamiento dentro de las gamas baja, media o alta. En general, las instrucciones ele mentales de: — incrementos/decrementos, — suma/diferencia. — multiplicación/división, sobre palabras de 16 bits (9999 en B C D ) están disponibles en todas las máqui nas, excepto tal vez en algún microautómata compacto, mientras que las más avanzadas de:
0 a 65535 ( F F F F „ „ ) 16 bits
Palabra
binarios
binaria
1
con carry suma: 0 a 131071 resta: —65536 a 65535
15 bits + signo
Palabra entera
2 X 16 bits
Doble
BCD
palabra B C D
32 bits
Doble
binarios
palabra B IN
31 bits + signo
a X 10"
-32768 a 32767
2
0 a 99 999 999
2
0 a 4294 967 295 -2147 483 648
Doble palabra entera
2
Coma flotante
5
— aritmética en coma flotante.
www.Fr
1
bros.me
a 2147 483 647
a (argumento): 32 bits 0 a 4294 967 295
n (exponente): -63 a 63
AUTÓ M ATA* M UXM AM AUH
raciones en coma flotante permiten ex presar números positivos o negativos muy grandes (±4294 967 295 X I0M) o muy pequeños ( ± l X 10 61) me diante el exponente y su signo. Para su almacenamiento en memoria, estos va lores necesitan cinco registros, tres para el argumento (signo y módulo de 32 bits), y dos para el exponente (signo y módulo de 16 bits). En versiones sim plificadas, con codificación B C D y me nores rangos, los valores en coma flo tante ocupan sólo tres registros, dos para el argumento y otro para el exponcnle y los signos. Aunque el empleo de instrucciones avanzadas de coma flotante eleva !a ca pacidad de cálculo aritmético del au tómata hasta acercarlo a la de orde nadores personales y miniordenadores, esta máquina no ha sido diseñada en principio para ello, por lo que el precio a pagar es un desmesurado tiempo de ejecución que puede extenderse hasta decenas de milisegundos por instruc ción. La figura 11.27 representa una ope ración de división entre registros que contienen inform ación binaria, por ejemplo para un cambio de escala de valor leído en una entrada analógica. Instrucciones aritméticas especiales, que combinan varias operaciones den tro del mismo bloque funcional, son las de conversión lineal X-) Con ellas, se puede definir una función de transfe rencia segmentada, por indicación de las coordenadas extremas de cada seg mento, y después encontrar cualquier punto de la función por entrada sobre uno de los ejes. La programación de una conversión lineal consta al menos de dos partes (figura 11.28):
ÜrstX’r«JdfTver>1t.
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Figura 11.271 División aritmélica en binario. segmento definido. El ejemplo de la figura 11.29, donde también se mues tran los rangos de entrada que provo can error en la operación, aclara esta circunstancia. Una aplicación típica de la conver sión lineal es el control de un variador de velocidad (entrada analógica 0 a 10 V r r ) según una curva definida velo cidad/tiempo, tan compleja como se quiera según los puntos introducidos (figura 11.30). La señal de consigna al convertidor se obtiene de una sali da analógica del autómata, que recoge el valor entregado por la conversión a —►v, donde x es el valor de tiempo acumulado por un contador. Puesto que el contenido del conta dor en esta aplicación es siempre me nor de 255 (módulo 28). no aparece error en la operación. Si el tiempo a contar supera en unidades aquel valor, puede realizarse un cambio de escala
Figura H.2H. Función de conversión lineal X/V.
— Definición de la gráfica, por coor denadas .v, y. Función de conversión abscisas (x — y ) u ordenada (y — _v) Estos bloques funcionales permiten construir una aproximación lineal de una función de transferencia de la que se conozcan varios puntos, y encontrar entonces valores intermedios por in terpolación lineal entre ellos, Si la correspondencia X IY no es biunivoca (existen tramos de pendientes contrarias), tendrá prioridad el primer
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sobre el reloj de tiempos, hasta que e módulo sea menor o igual a 255. En la práctica, esto significa que e¡ control del convertidor pierde conti nuidad en el tiempo, con actualización de salida en períodos mayores de I se gundo (ver figura 11.30). Con escasas variaciones, este mismo esquema podría servir para definir un proceso térmico con un regulador de temperatura, a partir de un aparato sen cillo con entrada analógica de consigna remota (simulación de un regulador de segmentos programables).
11.3.5. Funciones de comunicación Las instrucciones de transferencia antes discutidas mueven datos entre posiciones de memoria interna, mien tras que los bloques funcionales de co municación que se describen a conti nuación lo hacen entre memoria in-
PR O G R A M A C IÓ N D I B L O Q U IS FU N C fO N A LIS
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AUTÓM ATAS PRO O RAM ABLftS
cable impuesto por el fabricante, y los programas monitores en ambos ele mentos se encargan de la conexión ló gica e intercambio de datos, según la aplicación o los comandos enviados. Las consolas de programación y explo tación, y su enlace al autómata, se tra tarán posteriormente en el capítulo 13. Las conexiones especificas de usua rio incluyen todas las demás punto a punto o en red: uniones con modem, con lectores magnéticos u ópticos, con otros autómatas u ordenadores, con vi sualizadores o consolas de explotación no conectadas a la toma terminal, etc. Estas uniones se establecen usualmenle mediante procesadores de co municaciones, unidos al bus interno por conexión en bastidor (ver apartados 6.3.2 y 9.2.6) y al periférico mediante una vía serie (R S 232/422/485) o pa ralelo (Centronics, I E E E 488). Para operar bajo esta forma de co municación, definida por el usuario, existen en el autómata instrucciones es pecíficas, tanto para inicializar el puerto utilizado (procesador o toma terminal en conexión no estándar) como para transferir los bloques de datos. La inicialización del puerto de co municación consiste en enviarle un mensaje con la siguiente información; — — — —
número de puerto utilizado. velocidad en baudios, número de bits por la palabra. paridad, códigos identificativos de inicio y final de transmisión, etc.
circunstancias, pueden ser consultados por programa para confirmar la trans misión, ordenar una nueva transferen cia. saltar a una rutina de tratamiento de errores, etc. Siendo el usuario quien define una transmisión especifica, es responsable de que la información transmitida sea coherente con el periférico conectado: códigos B C D si se trata de un visualizador numérico, o A S C II para otro alfanumérico, caracteres de control (L F . C'R, ...) para un terminal T R C . códigos de instrucción y operandos correctos pura transmisión de programas, etc. Como ejemplo de transmisión, en este caso desde la toma terminal en funcionamiento estándar (lo que eli mina la parametrízación del canal), en la figura 11.31 se ve un bloque de co municación Télémecanique entre el autómata y un terminal A S C II de v¡sualización de mensajes. El ejemplo mostrado es de los más sencillos, pero aun en éstos cada fa bricante mantiene diferencias signifi cativas con los demás. Sin dejar de res petar la secuencia general expuesta (paramelrización + transferencias), la pro gramación de los bloques de comuni cación es bien distinta para cada marca: cambios de nombre, estructuras, limi taciones, flexibilidad, etc., obligan a es tudiar por separado cada nuevo autó mata.
La instrucción de transferencia, por su parte, debe indicar:
Ciertamente, el entorno ideal para e' usuario seria aquel en que le bastar.con indicar los inicios y finales del blo que a transmitir, la condiciones de ha bilitación de transmisión, el control de errores y la dirección del interlocutor, es decir, que lo liberara de la parametrización del procesador o canal de transmisión, que quedaría transparente para él. En realidad, esta es la situación cuando utiliza la toma terminal en c nexión estándar (ver el ejemplo de . figura 11.31), que, sin embargo, cambn cuando intenta acceder al siguiente ni vel de comunicaciones, entre aparat- • distintos, o conexiones a redes cuales quiera. La inexistencia de un prolocoi ■ normalizado obliga a parametrizar Ir* procesadores o canales de comunica ción para adaptarlos al periférico o a -■ red, en un esfuerzo tedioso y no siem pre con la documentación necesar*» disponible, lo que quizás explica la ba > utilización y el rechazo que sufren esti conexiones si no son resueltas direc tamente por el fabricante o distribuí dor, que incluye su propia garantía de funcionamiento (soluciones «llave er mano»). Mientras tanto, el usuario prefiere adquirir productos comerciales que le permitan trabajar a nivel de aplicación - consolas de explotación, - software de supervisión y conlre SC A D A , - software de programación y min nitorización, etc., productos con conexión directa a l*1 toma terminal y que, por tanto, tiene' resuelta la comunicación lógica y lisio! con el autómata. Desde ellos, el usua rio tiene acceso directo a la memon»interna para lectura/forzado de señale' cambios de estado, control desde ur programa de aplicación exterior, etc, manipulando las variables del autómat. sin necesidad de conocer los protocolos de comunicación.
— tipo de transferencia, recepción o transmisión, — dirección de inicio de transferen cia, número de bytes, o dirección final de transmisión, — código de los datos transmitidos (binario, A S C II, etc.), — dirección del elemento receptor en conexiones en red, etc. La sentencia de transmisión lleva asociados indicadores internos prede finidos (transmisión en uso, fin de transm isión, sobrepaso de tiempo, error, etc.) que, activados por distintas
Bajo el epígrafe especiales se consi deran todas aquellas instrucciones que bien por su especificidad dentro de ur
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PROGRAMACIÓN DI liOQUKS
lenguaje de autómata, bien por lo par ticular de su aplicación, no pueden considerarse pertenecientes a ninguno de los grupos hasta ahora estudiados, instrucciones booleanas, bloques secuenciales o bloques de expansión. Estas instrucciones acusan aún más que las anteriores la falla de estanda rización de los fabricantes: sus deno minaciones, aun cuando sean de ope ración semejante, son casi siempre di ferentes entre si. Por ello, la siguiente clasificación las -c'upa por su función, indicando tammen algunos de los nombres por los ace se pueden encontrar dentro de un lenguaje: • Impulso de transición (Single output SO T, Difierentíatión UP/ D O W N . Transitional contact. Pul se, etc.) Convierte un nivel de señal en un pulso de duración 1 «sean» (figura 1I.32í í ). El efecto matemático es el de derivada en la entrada, de ahí su nombre en algunos lenguajes. En ocasiones, puede seleccionarse el flanco a detectar como de su bida o bajada. Si su utilización por el usuario está limitada a un cierto número de ve ces dentro de un programa, puede simularse la función a partir de re lés internos con el esquema mos trado en la figura 11.326. • Paréntesis Cuando en una secuencia de man do aparecen instrucciones sucesi vas entrelazadas (lógicas o arit méticas), el usuario debe poder or denarlas para su ejecución. Aun que siempre puede conseguirlo reescribiendo el programa, el em pleo de funciones de agrupación o paréntesis hace a éste más com pacto y cercano al modelo des criptivo del proceso. Este proce dimiento, idéntico al empleado en cálculo numérico (paréntesis, cor chetes, llaves), consiste, por tanto, en introducir señalizadores que fi jan la prioridad de la instrucción dentro de la sentencia. Si el lenguaje permite el empleo de paréntesis en sus instrucciones aritméticas, éste se extiende tam bién a las instrucciones lógicas, con ¡guales reglas de operación
que en el cálculo numérico. En caso contrario, las instrucciones lógicas permiten siempre la agru pación en bloques utilizando sen tencias del tipo A N D -LO D (poner bloque en serie) y O R-LO D (po ner bloque en paralelo). E l ejem plo de la figura 11.33, que muestra dos versiones alternativas de un programa con instrucciones de bloque, enseña también cómo una programación depurada reduce la longitud del programa, ahorrando memoria y tiempo de cálculo en el autómata.
Diagnóstico Con esta instrucción el usuario puede señalizar ciertas circunstan cias según una tabla de códigos previamente establecida, de forma que cuando se produzca la con dición de ejecución, la instrucción envía el código (mensaje alfanumérico o numérico) hacia un área particular de memoria (área de diagnósticos), donde puede ser consultada y/o enviada al exterior, normalmente hacia un visualizador de mensajes conectado en la toma terminal.
finura 11.33. Instrucciones de conexión (paréntesis) entre bloques lógicos.
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PROGRAM A 1
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PRO GRAM A
PR O G R A M A C IÓ N D I B L O Q U IS F U N C IO N A L !!
• Control de tiempo del reloj ile guar da («watchdog») Como se sabe, los autómatas es tablecen una vigilancia sobre el tiempo de ejecución del programa: si este supera un cierto valor (fi jado en el reloj de guarda), se dis para una alarma que provoca la pa rada del funcionamiento (paso a ST O P). Este control, que puede resultar inconveniente para pro gramas particularmente largos (por ejemplo, con muchas instruccio nes aritméticas), puede en ocasio nes ser ajustado por el usuario en la aplicación, bien modificando el tiempo (incluso hasta segundos), bien bloqueando por programa O parametrización la acción del temporizador de guarda. • Refresco parcial ele entradas/salidas A fin de reducir el tiempo de res puesta a ciertas señales, el usuario puede incluir en su programa ór denes (si existen) de refresco par cial de entradas/salidas, en rangos limitados. De esta forma, cual quier cambio en la señal es acti vado antes de transcurrir el tiempo de ejecución normal del programa. • Función de espera (W ait, Soft wail, etc.) Si esta instrucción se ejecuta, el programa espera durante un tiem po prefijado antes de ejecutar la siguiente. La instrucción, pues, in troduce un retardo en la propia ejecución del programa, que no debe confundirse con el retardo que provoca un temporizador en la activación de una señal. • Palabra de control («Password») Los programas de autómata pue
den estar sometidos a un espionaje tan acusado como otras activida des industriales, sobre todo en ac tividades de baja complejidad y m ercado am plio, por ejem plo, control de ascensores. Para evitar la copia o manipulación indebida de programas, algunos autómatas permiten introducir en él una pa labra de control o secuencia alfanumérica, que bloquea el acceso al programa si no es indicada des de la consola cuando se intenta la lectura o modificación de instruc ciones. F.l listado de instrucciones especiales expuesto no es, por supuesto, exhaus tivo: cada marca o modelo de autómata puede incluir en su lenguaje funciones particulares bien características. Sin embargo, lo específico de su operación hace aconsejable no introducir aqui su descripción, de interés sólo para los usuarios de la máquina concreta.
11.5. R E S U M E N Las instrucciones lógicas elementales basadas en el álgebra de Boole, co munes a todos los autómatas, se com plementan con otras secuenciales preprogramadas por el fabricante y de uso general en automatización, como son los registros, temporizadores. conta dores y bieslables set-reset. Estas instrucciones, junto con otras de manipulación de bytes, como las comparaciones y transferencias senci llas, constituyen lo que se llama len guaje básico del autómata, suficiente para programar la mayor parte de sus aplicaciones. Como ampliación a las anteriores, otras instrucciones avanzadas, dispo
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nibles en lenguajes más potentes o des tinadas a autómatas de gamas altas, permiten desarrollar cálculos aritméti cos complejos y comunicación más o menos transparente con el exterior, permitiendo utilizar el autómata en aplicaciones en que se necesite mani pulación exhaustiva de variables nu méricas. Por último, están las instrucciones especiales, muchas veces particulares para cada marca o autómata, diagnós ticos, restricciones de acceso al progra ma, control del reloj de guarda, etc. Aunque pueden no ser imprescindibles para la función de control, su empleo facilita la programación y ayuda a la personalización del programa resultan te. Todas ellas, más las instrucciones de control de secuencia de programa (sal tos, subrutinas, interrupciones, etc. ■ que serán objeto de estudio en el ca pítulo posterior, y junto con las reglas sintácticas y ortográficas que regulan su empleo, forman el cuerpo de los len guajes de autómata, tan completos \ potentes que en ocasiones permiten confundir a esta máquina con un pe queño ordenador industrial.
11.6. R E F E R E N C IA S M ANUALES
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AUTÓ M ATA
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|!| S IE M E N S . Autómata Programahle S5-100 t (C P U 100). Edición Octubre 1986. [21 O M KO N Manual de Programación S Y SM A t Sene C Febrero 1991. 3) T O SH IB A . Programming Manual E X Serien EX200B/250/500, 1986. [4] T É L É M E C A N IQ U E . Programación T S X T 4(f Contactos T S X 67/87 Lenguaje Contactos Manual 10.1986. |5| IUUC l/U M t. Fa-3S Series. User's Manual PF3S-CPII Standard C P U Marzo 1992. FA2Junior Series User’s Manual Abril 1990
ESTRUCTURAS D I PR O G R A M A C IÓ N
12. ESTRUCTURAS DE PROGRAMACIÓN 12.1. IN T R O D U C C IO N En capítulos anteriores se han dis cutido las configuraciones de la unidad central de proceso, C P U . y de las in terfaces específicas de entrada/salida, y se ha comentado su carácter de soporte hardware para la interpretación y eje cución de las órdenes de usuario, co dificadas c introducidas en forma de programa. Ya entonces, se comentaba la posibilidad de escribir estos progra mas según estructuras mono y muid la rea. Definiendo la tarea [1J como el conlunto de instrucciones ejecutables que describen un tratamiento limitado y completo sobre variables de proceso, una aplicación en estructura monotarea es aquella desarrollada sobre una tarea única, que contiene el total del pro grama con todas sus variables de en trada y salida y sentencias de opera ción, mientras que, por contra, una aplicación multitarea será aquella que divide el programa en subconjuntos, in dependientes o no, que forman tareas aisladas, normalmente en correspon dencia con tratamientos particulares de a aplicación (vigilancia, programa secuencial, comunicaciones, etc.). En estructuras monotarea el progra ma o tarea única se ejecuta periódi camente, siguiendo un único ciclo de operación, mientras que las estructuras multitarea desarrollan simultáncamen¡e múltiples ciclos durante la ejecución, jno por cada tarea. Estas tareas, ade más, pueden o no ejecutarse periódi camente. Obsérvese cómo, en cualquier caso, •el ciclo de operación de la tarea, sea anica o una más dentro de la aplica ción, recorre la conocida secuencia de cuatro pasos: — adquisición de entradas, — escrutinio del programa (de la ta rea), — actualización de salidas.
la unidad 923 A de Siemens), o sobre la misma C P U principal (por ejemplo, en el autómata T S X 87-40 de Tclémccanique. Dado que los procesadores periféri cos montados en bastidor se conside ran como parle de una misma unidad de control (apartado 6.3), los programas que corren sobre ellos, con lectura y generación de señales de planta sin in tervención de la C P U principal, se con sideran también como parte de un tra tamiento multitarea. La clasificación de las estructuras de programación en mono y multitarea, muy dependientes como se ha visto de la configuración hardware de la unidad de control, no debe confundirse con las metodologías de programación que va yan a utilizarse. En efecto, una vez asignada a la apli cación una estructura mono o multi tarea para su programación, cada una de las tareas resultantes debe ser pro-
— servicio a periféricos o terminales de explotación. Asi pues, la tarea constituye una en tidad de programación completa, con sus propias entradas, salidas, variables internas y sentencias de control. Esta circunstancia, que permite op timizar la ejecución utilizando estruc turas multitarea si se dispone de un hardware multiprocesador con proce sadores adaptados a los distintos tipos de tratamientos (booleano, regulación, tratamiento de textos, etc.), obliga, sin embargo, a utilizar un gestor de re cursos en estas aplicaciones para eli minar la conflictividad en el acceso a los medios (recursos), como muestra la figura 12.1. El gestor, un ente software que el usuario puede parametrizar para asig nar las prioridades a las tareas de su programa, puede correr sobre una C P U específica o coordinadora (por ejemplo.
Figura 12.1. Estructuras de programación mono y multitarea. m u _l t j t a r _e a
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UNIDAD DE CONTROL
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dificación de ciclo que permiten dividí un programa lineal en partes o bloquede ejecución condicionada o dcpcn diente de alguna señal, de forma qui si ésta no se cumple, el bloque no ei ejecutado, con distintos efectos sobre las variables según el tipo de condiciór empleada. Estas instrucciones, utilizadas par, ordenar programas lineales, pueden ser de dos tipos:
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Figura 12.2. Programación lineal v estructurada. gramada según una secuencia de ins trucciones. Esta secuencia puede ob tenerse mediante metodologías de pro gramación lineales o estructuradas, que se definen a continuación (figura 12,2). La programación es lineal si las ins trucciones de un proceso o automatis mo industrial están ordenadas una tras otra, en el mismo orden en que se van a consultar y, eventualmente, a ejecutar. Por contra, la programación es «rruciurada cuando la tarea de control está dividida en subprogramas o mó dulos que se corresponden con distin tas funciones dentro del mando ge neral, y cuya ejecución puede ser or denada varias veces dentro de un mis mo ciclo de operación del autómata. Aunque, en general, la programación estructurada de una tarea resulta más eficiente cuando se utiliza sobre au tómatas con coprocesadores en su C P U , especializados en las funciones particulares de cada módulo, es tam bién posible su empleo sobre autó matas de C P U simple, que se encarga de ejecutar uno tras otro los módulos en el orden en que sean llamados por el programa raíz. En el presente capitulo se discuten estas diferentes estructuras y metodo logías de programación, y se comenta la particular programación de módulos pregrabados por el fabricante para eje cutar tareas concretas o gobernar inter faces especificas, módulos que sólo ne cesitan del usuario la parantetrización que los adapte a su aplicación concreta.
12.2 P R O G R A M A C IÓ N L IN E A L Se entiende por programación lineal la que considera el problema de control (definido en la tarea) en su conjunto, con todas sus variables internas y de entrada/salida, y lo programa escri biendo las instrucciones según una se cuencia lineal, una tras otra desde la primera a la última, definiendo el co nocido ciclo de operación de cuatro pa sos: — supervisión y chequeos, — entrada y salida de datos, — ejecución secuencial del progra ma, — servicio a periféricos externos. La programación lineal es la más fre cuente metodología empleada, y prác ticamente la única en mini y microautómatas. Según la definición anterior, en pro gramación lineal las sentencias se eje cutan secuencialmente, o. con más pro piedad, se consultan secuencialmente para su ejecución, mientras están dis ponibles continuamente todos los re cursos de la máquina (entradas, salidas, variables internas, etc.). Ahora bien, al usuario puede inte resarle la ejecución condicionada de partes de! programa (lineal), tanto bus cando una cierta estructuración ele mental, como para inhibir la ejecución de algunas sentencias del algoritmo. Y en efecto, existen instrucciones de mo-
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— Salios (incluyendo las sentencia de alto nivel IF ...T H E N ...E L S E G O T O ... W H IL E , etc.). - Habilitación de bloques (Masle Control Set/Master Control Re sel, Block Program Pause, etc.)
Antbos tipos de instrucciones altera el orden de ejecución normal, pe mientras que las primeras se asimila a un «salto» llsico de instrucciones, co congelación de los estados de variable en el instante del salto, las segund implementan la función de relé maetro de control, que en tecnología ele tromecánica llevaba tensión y permr. el funcionamiento de las líneas siguietes a él conectadas cuando estaba jc tivado, y las dejaba sin tensión, con tu das las variables en estado de repos cuando se desactivaba. U n recurso frecuente en la progT: mación lineal es el empleo de macr conjunto de sentencias, normalmen agrupadas buscando una cierta func nalidad, que se reconocen e identifica por un nombre propio. Algunas unidades de programadpermiten que el usuario, cuando e> editando un programa en cierto leguaje, pueda asignar un nombre a ui grupo de sentencias, y almacenarlas ct ' él en un fichero de memoria. Más adelante, según avance la edt ción del programa, el usuario puede tu rnar a la macro en cualquier instant. intercalando su nombre entre las setencias que escribe. El programa Eo tor, o el compilador posterior, se e~ carga de insertar en ese punto el coa junto de sentencias almacenado conmacro. Obsérvese cómo el empleo de nía cros no reduce la longitud total del pro grama (a diferencia, como veremos mu: adelante, de las subrutinas), sino qu¿ únicamente facilita el trabajo del pro
¿-amador al evitarle reescribir senten. •. que ya han sido editadas y alma diadas en memoria. Las macroinstrucciones no pueden mportar ni exportar variables: simplenente, si el usuario necesita modificar . guna de las que contiene, debe edias de nuevo una vez insertadas las sentencias dentro del programa. El trabajo con macros permite consru
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- creación y gestión de módulos en una biblioteca, consulta de módulos, - edición de variables del módulo, documentación de los módulos y la biblioteca. El uso de estos entornos reduce el .-coerzo de programación, mejora la aumentación del proyecto y permite : empleo de ayudas e indicaciones en lea («on line») durante el desarrollo :e la aplicación. 12.2.1. Saltos de programa Las instrucciones de salto, que como -r ha comentado alteran el orden de ejecución normal del programa, se utizan para acortar tiempos de ciclo si no c cumplen ciertas condiciones, o para .vtablecer programas alternativos den:-<■> de una misma secuencia lineal. Por ejemplo, el ordinograma de la gura 12.3a muestra una estructura de ■ gramas horizontal o alternativa (o se i c-¿uta A, o se ejecuta B), que por de ' i _ón no puede programarse con una '..uencia lineal de instrucciones, de ¿do único y escritura consecutiva, t í problema se soluciona con la in.lusión en el lenguaje del autómata de as instrucciones de salto. En efecto, la cura 12.36 muestra la programación ical de la estructura alternativa ancnor, conseguida mediante instruccio■nev de salto. El ejemplo permite ade- is diferenciar los dos tipos de saltos:
PRO GRAM A
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Program ación lineal
Figura 12.3. Ejecución de programas alternativos con instrucciones de salto. — In co n d icio n al, que se ejecuta siempre. — Condiciona/, de ejecución depen diente de una señal. E l sallo está normalmente definido
entre dos posiciones, que lijan respec tivamente su inicio y final. Esta última esta indicada por una instrucción par ticular (JE N D , JM P R , etc.), o por una dirección dentro del programa, identi ficada mediante una etiqueta durante la programación. La figura 12.4 muestra un ejemplo de dichas dos posibilidades, según len guajes gráfico de Toshiba y literal de Siemens. Es imprescindible, en programación literal, que la dirección destino coin cida con un inicio de sentencia. En caso contrario, aparecerá un error de pro gramación. El problema no se da en programación gráfica, donde la direc ción destino sólo puede ser un inicio de línea (sentencia). Aunque los saltos están normalmen te definidos entre instrucciones de ini cio y final, los fabricantes pueden pro poner. como extensión a los lenguajes básicos, saltos relativos de n posiciones desde la actual, donde n puede ser una variable de programa y no únicamente una constante. Estas instrucciones, que permiten efectuar tratamientos adap tados a distintas condiciones (por ejem plo, definiendo tantos programas alter nativos como se deseen), deben ser uti lizadas con precaución: las modifica ciones de programa durante puestas a punto, con supresión o inserción de instrucciones entre el origen y el final del salto, deberán quedar reflejadas en el índice n so pena de incurrir en un error de control, o, en el mejor de los
Figura I2J. Instrucciones de salto en programación gráfica >' literal.
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fin s e m e n cia dirección de sallo
casos, en un error de programación con bloqueo del autómata. Durante una instrucción de salto, las variables generadas o calculadas en las sentencias saltadas no modifican su va lor: — las variables internas y de salida no cambian, los contadores mantienen el valor contado. las variables de mando o control de bloque funcional no son con sultadas. Este último punto afecta particular mente a los lemporizadores progra mados dentro de un sallo: — Si el temporizador está en O F F . no se activa aunque se cierre su contacto de mando. — Si el temporizador está activado, responde de diferentes formas se gún modelo: — continúa corriendo, aunque se salle sobre él, interrumpe el funcionamiento, y sólo continúa cuando no se salte su sentencia, — sigue funcionando, pero su con tacto de salida no se activa aun que se alcance el tiempo pre fijado. En este último caso, hay que esperar a que el programa recorra de nuevo la sentencia del temporizador para que la salida de éste pase a nivel alto. Según autómatas o fabricantes, pue den existir limitaciones en el empleo de las instrucciones de salto: saltos únicamente hacia adelante, sin posibilidad de retornos, - longitud de salto limitada, entre inicio y final, a 127 posiciones (pá gina de programa), no se admite la programación de un salto dentro de otro, — no puede fijarse un mismo des tino para distintos orígenes de sal lo, etc. El lenguaje literal está particular mente bien adaptado a la ejecución condicional de bloques de programa, uno de los campos, como se ha visto, típicos de aplicación de las ¡nstruccio-
IF (expresión booleana) T H E N (acción/es A) F.LSE (acción/es B)
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como frases condicionales (se ejecutan o no las acciones en función del re sultado de una expresión booleana), > los literales:
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W H 1 L E (expresión booleana) D O (acción/es)
Figura 12.5. Saltos con literales de alto nivel nes de sallo. En efecto, la existencia de literales del tipo: I F ... T 1 IE N ... F.LSE DO ... W U 1 L E , etc., permite condicionar la ejecución de una o varias acciones al estado de una va riable. En el ejemplo de la figura 12.3, la ejecución condicional de los bloques A o B puede implemenlarse con la pro gramación literal siguiente (figura 12.5):
como frases iterativas (se ejecutan la* acciones mientras el resultado de la ex presión booleana es cierto) (1 lógico * mientras que Omron se inclina por uelizar bloques de programa en cuyo in terior se definen las ramas condicio nales (Conditional Branch) del tipo IF (condición) (acciones rama pro grama A ) E L S E (acciones rama programa R 1END o los lazos cerrados (Loops) LO O P (acciones A) LO O P E N D (condición) (acciones B)
IF (expresión) TH EN (acciones del programa A ) ELSE (acciones del programa B) Las instrucciones condicionales de los lenguajes de alto nivel adquieren diferentes formas según el fabricante. Por ejemplo. Télémecanique utiliza los literales:
Mientras el bloque se esté ejecutan do (condición a en la figura 12.6) las acciones A o B (según condición b) « ejecutan una vez por ciclo (rama con dicional), o indefinidamente (instrt.. ción de lazo). En general, estos literales condicio nales se pueden anidar, con más o rió nos restricciones según el fabricante como muestra la figura 12.7.
Figura 12.6. Literales condicionales e iterativos. \.Qn
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ción M C S-M C R tiene un cierto pare cido con las instrucciones de salto, pero las separan algunas diferencias impor tantes:
Figura 12.7. Anidación de saltos literales. 12.2.2. Relé maestro de control En sistemas cableados, el relé maes tro de control asegura la llegada de ten sión a ciertos circuitos de maniobra, mientras que corta dicha tensión de maniobra en caso de estar desactivado y por tanto inhibe el funcionamiento de todo un bloque. Este tipo de relés suele usarse para bloquear bloques en caso de emergencia. Una función equi valente, que hace posible la activación o desactivación de todos los elementos conectados tras ella, aparece también en muchos lenguajes de autómata programable. Dado que el programa consiste en una sucesión de instrucciones, la fun ción necesita de un principio y un final para definir el bloque de sentencias que se quieren hacer dependientes de ella. Estos dos puntos quedan normalmente identificados por las instrucciones: — Master Control Set, M C S, para el inicio, Master Control Reset. M C R , para el final. En lenguajes gráficos, las instruccio nes vienen representadas por bobinas M C S/M C R , y entre ambas están las aneas de programa cuya ejecución se hace dependiente de la activación de la bobina M C S (figura 12.8). Algunos lenguajes admiten un cierto grado de anidación entre instrucciones Je relé maestro (por ejemplo, varios M C S con un solo M C R ), mientras que en otros la sintaxis obliga a utilizar las instrucciones por pares, y respetando siempre el orden inicio-final (MCSV1CR) de la función. Desde el punto de vista de ejecución o no de un bloque de programa, la fun
controlado por autómata no debe nun ca pasar por el propio autómata (norma CF1 204-1/204-2). lo que seria factible mediante el empleo de esta función M C S conectada a una de las entradas: una averia en el autómata, o en la en trada, o en el programa, dejaría el sis tema sin protección. Si se desean conectar estos paros, de ben utilizarse relés físicos que corten la alimentación al sistema (figura 12.9) quitando tensión a las entradas/salidas del autómata, aunque pueden mante ner la alimentación a la C P U (para re visión del estado del programa o con trol de errores, por ejemplo).
- M C S activa: el programa entre M C S y M C R se ejecuta en su to talidad — J M P no activa: el programa entre J M P y J E N D se ejecuta en su to talidad. — M C S no activa: el programa entre M C S y M C R no se ejecuta • las salidas caen a O F F , • los temporizadores se desacti van, con pérdida de valor tem porizado, • Los contadores dejan de contar, pero no pierden el valor acu mulado. - J M P activa: el programa entre J M P y J E N D es saltado y no eje cutado • las salidas se mantienen a su último valor, • los temporizadores se desacti van. pero mantienen el valor temporizado, • los contadores dejan de contar, pero no pierden el valor acu mulado.
12.3. PR O G R A M A C IÓ N EST R U C T U R A D A Por razones de claridad, y a efectos de simplificar la programación, la de puración y el mantenimiento, es inte resante descomponer la tarea de usua rio en partes elementales que, prefe riblemente, contendrán tratamientos completos sobre la variable o conjunto de variables dentro del proceso o planta a controlar. Se entiende entonces por progra mación estructurada aquella que divide la tarea a programar en subprogramas o módulos, que corresponden a trata mientos parciales, y que son llamados durante el escrutinio desde un progra ma raíz. Estos bloques o partes de programa pueden estar incluso diferenciados por
Los enunciados anteriores son úni camente orientativos, y los efectos a la activación/desactivación de las instruc ciones de salto y relé maestro pueden variar de uno a otro autómata. Debe advertirse que la instalación de paros de emergencia en un sistema
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- ' l generan bibliotecas de módulos subrutinas, que pueden ser utiizadas en otras aplicaciones, .1 documentación resultante es más abundante y fácil de leer, in cluso para técnicos ajenos a la pro gramación.
En el primer caso, el fabricante prevé estructurar un programa secuencial (es crito con instrucciones G R A F C E T ) en tres partes, que denomina de:
Salvo en aplicaciones muy sencillas. programador usará siempre un cierto ¡t j J o de estructuración en su progra- buscando aprovechar las ventajas - ijad as.
El primero contiene todas las sen tencias que no dependen de la evolu ción secuencial del proceso y que, por tanto, no están incluidas en el diagrama G R A F C E T . como inicializaciones, conmutación manual-automático, pa ros de proceso o información de paros de emergencia, etc. Las sentencias de este módulo son escrutadas sólo du rante el primer ciclo después de la puesta en marcha del autómata (paso de ST O P a R U N ). El segundo bloque contiene el pro grama de evolución secuencial G R A F C E T (ver apartado 2.7), introducido en forma gráfica o mediante lenguaje li teral. Durante su ejecución se consul tan sólo las transiciones válidas, aque llas que siguen a etapas actualmente activas, para activar/desactivar etapas y mantener actualizado el G R A F C E T . El tratamiento posterior contiene esencialmente las sentencias de acti vación/desactivación de variables aso ciadas a etapas activas, aunque, al ser un módulo de escrutinio permanente, permite incluir también en él senten cias de tratamiento continuo: alarmas, gestión de paros, etc.
t«J.I. Programación modular Se ha definido la programación moir como la estructurada en torno a - programa raíz, cuya misión funda - e -.tal (en general, la única) consiste . ilamar para su ejecución a los distin* bloques o módulos del programa. I mismo usuario puede estructurar d programa dividiéndolo en distintos - ques, más o menos relacionados con artes del proceso (alimentación de la cadena, manipulación de una pieza, tra. miento de alarmas, etc.), y escribienun programa raíz con llamadas ¿adicionadas o no) a los módulos c -nde programa cada uno de los blo ques. Los módulos obtenidos están identicados y localizados en memoria me lan te un código de inicio (nombre + -.umero) y otro de final de módulo (por t emplo, instrucción BE, Block End), y r a cada ciclo de operación pueden ser amados y ejecutados varias veces. Aunque esta estructuración del pro,-jma puede realizarse sobre cualquier 7ütómata (siempre y cuando el len guaje empleado permita el uso de 11a-ladas a subrutinas), será mucho más eficiente cuando se implemente sobre juellas máquinas o con aquellos len guajes específicamente preparados para soportarla. También el fabricante puede forzar a estructuración del programa previen do una plantilla o subdivisión en par les. que el usuario se encarga de llenar Je contenidos (instrucciones) durante la programación. Dos ejemplos típicos, para mini an tomatas de prestaciones medias, se encuentran en las máquinas de la serie TSX de Télémecanique y S IM A T IC S-IOOU de Siemens. j
- tratamiento preliminar, - tratamiento secuencial, - tratamiento posterior.
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La figura 12.11 muestra el cíe . o: funcionamiento del autómata T S V 1~ con esta solución, tal y como lo mug irá su fabricante Télémecunique. La estructura anterior, con !us vtratamienlos separados mediante *nstrucciones especiales del lenguaje ríeral, es rígida y no modificable por : usuario, que se limita a programar1 sentencias dentro de las zonas ú e f r das. A cambio, se hace innecesar.. programa raíz, y la estructura, p e r i tamente adaptada a aplicaciones .e y media complejidad, simplifica . ción del programa. A diferencia de lo anterior. S'err.-propone para su gama baja de jut matas, programados con el leng... : > < . ■ leral S T E P 5, una estructura ■ abierta (figura 12.12) que puede en . distintos tipos de módulos: — Módulos de organización, qee llamados por el sistema opera: • monitor (automáticamente, - -n ejecutados bajo diferentes ; • cunstancias, fijando el comp>.n miento del autómata. — Módulos de programa, eslrui; rados como desee el usuario. . j : contienen las instrucciones consulta y activación de variab — Módulos funcionales, que connr nen instrucciones especiales ce tratamiento de las variables Módulos de datos, que contiene: informaciones (datos) constantes
AUTÓMATAS n tO O R A M A lL K S
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nen constantes allanuméricas que son utilizadas por el programa:
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Figura 12.12. Programación estructurada por el usuario. almacenadas bajo diferentes có digos binarios. Los módulos de organización (O B ) lijan la estructura de ejecución del pro grama, llamando al resto de módulos según corresponda: — O B 1: llamado cíclicamente, con tiene la secuencia y condiciones de ejecución del programa de usuario. — O B 21: llamado en los rearranques normales de autómata (paso de S T O P a R U N ). — O B 22: llamado en rearranques provocados por pérdida y recu peración de tensión de alimenta ción. — O B 34: llamado cuando ocurre fa llo de batería de mantenimiento de memoria R A M . Cuando son programados, los mó dulos O B 21 y O B 22 permiten fijar la reacción del autómata antes de pasar a la ejecución cíclica ordenada en O B I: inicializaciones, activación de señales de alarma, etc. El módulo O B 34 es procesado antes de cada ciclo de O B 1 cuando se de tecta fallo de batería (pérdida de ten sión en posiciones remanentes de me moria y posiciones de programa en R A M ). Contiene generalmente una se cuencia de parada del proceso y acti vación de alarmas. Los módulos de programa (P B ), nu merados entre 0 y 63, contienen las ins trucciones del programa de mando. Es
tos módulos son llamados desde el O B 1 con instrucciones de salto con dicional o incondicional, y permiten la anidación entre sí (figura 12.13). Los módulos funcionales (F B ) con tienen también instrucciones del pro grama de usuario, pero admiten ins trucciones especiales de ampliación del lenguaje (saltos, rotaciones, etc.). Cada módulo funcional constituye una función cerrada dentro del progra ma de aplicación, y pueden ser pro gramados: - por el fabricante, que los oferta como productos software, — por el usuario, que los define para su aplicación y los almacena en biblioteca. Los módulos de datos (D B ) contie-
Figura 12.1.1. Anidación de módulos de programa.
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— Códigos binarios arbitrarios. — Constantes numéricas y operandos de cálculo. - Valores de preselección de tem porizadores y contadores. - Caracteres A S C II para salida de textos, etc. Sólo es activo en cada momento un módulo de datos, de entre los que con tenga la memoria de programa. El mo dulo se activa mediante una instrucciór especial (A D Bn), y permanece acti\ hasta que se llame a otro, o finalice el módulo de programa que lo ha lla mado. Una programación como la comer tada, que permite el anidamienio mu tiple entre módulos (en el ejempo dacf hasta 15 niveles de saltos), y que dis pone incluso de bibliotecas con mó dulos pregrabados que pueden ser in corporados al programa sin más que llamarlos por su nombre, permite un gran flexibilidad en la programación > aprovecha todas las ventajas de la pro gramación estructurada. 12.3.2. Subrutinas Cuando una secuencia de instrucc > nes es utilizada de forma repetitiva, puede resultar más cómodo progr_marla una sola vez, asignándole u* nombre, y utilizarla después cualqu e número de veces mediante una lla mada (C A L L ) a dicho nombre.
KfTftUCTURAS DK PRO O RA M A C IÓ N
La subrutina se d efine entonces mo una unidad autosufidente (que uede ser ejecutada sin error de inicio final, sin ningún requisito previo en . programación) que se compila senaradamente y puede ser utilizada a ntinuación por otros programas o ubrutinas. Según esta definición, el programa r-,ncipal de una aplicación es aquel que in es subprograma de ningún otro Puesto que en última instancia las r.strucciones (sus códigos binarios) se imacenan en posiciones consecutivas Je memoria, es necesario indicar el fi nal de la subrutina (el inicio queda -'entificado por su nombre) mediante —código particular (R E T U R N ), a fin : que la C P U pueda abandonar su ejeeión y continuar con el programa de~ ndante desde la instrucción siguien. a la de llamada (figura 12.14). Como se ve, una misma subrutina .ede ser llamada desde diferentes untos del programa, resultando de su :mplco una reducción de la longitud iel programa de usuario. Las subrutinas que evalúan una funn, y reportan un solo valor al proc'-ima principal, se denominan Junciai ', y suelen aparecer con nombres .-'opios, fijados por el fabricante, den - de los lenguajes evolucionados de ilio nivel. Mgunos ejemplos de funciones son: • Operaciones aritméticas en alta re solución: — Suma, resta, multiplicación, divi sión, A D D , S U B , M U L , D IV . Extracción de raíz cuadrada, SQRT. — Cálculos logarítmicos y trigono métricos. • Codificaciones y conversiones entre códigos: — Conversiones entre códigos bi narios. — Conversión binario-BCD, BCDbinario. — Conversión BCD-7 segmentos. — Complemento a I y 2 de un valor binario. • Operaciones lógicas entre palabras: — A N D /O R entre palabras de 8 o 16 bits. Incrementos/decrementos y rota ciones entre palabras.
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Figura 12.14. Programación estructurada con subrutinas. — Transferencias y comparaciones, etcétera. Dado que las operaciones a realizar están perfectamente definidas de an temano, cada función acepta una cierta lista de parámetros y no otra, que es específica para cada una de ellas. Desde este punto de vista, y puesto que el usuario no interviene en la con figuración, las funciones pueden ser consideradas más como instrucciones avanzadas que como subrutinas del programa. F.n programación modular, pueden estar disponibles módulos funcionales que resuelvan también algunas de las operaciones indicadas como propias de funciones. Sin embargo, existe una di ferencia conceptual entre estos mó dulos y las funciones: el programa que resuelve la subrutina de función está contenido en el sistema operativo del autómata, mientras que el módulo fun cional debe tratarse como un producto independiente de la C PU . En otras palabras, el usuario dispone como estándar de todas las funciones que permita el lenguaje elegido, mien tras que los módulos funcionales son adquiridos o generados en función de sus necesidades especificas. Obsérvese cómo las subrutinas, a di ferencia de las macroinstrucciones, no incrementan significativamente la lon gitud del programa cuando son lla madas: las sentencias de la subrutina se ejecutan sobre si misma, y no son insertadas entre las instrucciones del programa principal cuando se utilizan.
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De esta forma, el programa mejora en legibilidad y ocupación de memoria, aunque no en tiempo de ciclo: el nú mero de instrucciones a ejecutar no cambia, e incluso es mayor, si se cuen tan las instrucciones de llamada y re torno. Unas subrutinas pueden imbricarse con otras hasta un cierto nivel de anidamiento, que depende del tipo de len guaje y/o del autómata que lo soporta. Una de las principales ventajas del empleo de las subrutinas es que. al igual que con el empleo de las macroinslrucciones o los módulos de pro grama, se pueden establecer y desarro llar bibliotecas de subrutinas, disponi bles para uso posterior.
12.4. P R O G R A M A C IO N
MULTrrAREA En estructuras monotarea, el progra ma o tarea única se ejecuta periódi camente de forma cíclica. Si este pro grama principal es capaz de acceder a subprogramas o módulos, con inter cambio o no de variables, se dice que está estructurado. En caso contrario, el programa será lineal. Los autómatas con coprocesadores en la unidad central, o de unidad de control multiprocesador. pueden ad mitir la especialización de las senten cias incluidas en las subrutinas o mó dulos (tratamiento de textos, comuni caciones, operaciones aritméticas, etc.), de forma que su ejecución queda re servada a alguna de las C P U disponi-
A U TÓ M A TA ! PR O G R A M A R IA S
bles, especialmente adaptadas para ob tener la máxima precisión y rapidez en el tratamiento. Los sistemas de control más com plejos, que suelen exigir operaciones entre las variables independientes entre si en el tiempo, se programan con tra tamientos tnultitarea, donde cada larca se compone de un programa principal, ejecutado de forma cíclica periódicameijite o no y, eventualmente, subprogramas locales (es decir, en progra mación estructurada o lineal). Cada tarea constituye una entidad de programación completa, con sus pro pias entradas, salidas, sentencias y ciclo de operación, siendo el programa de usuario el conjunto de todas las tareas previstas para su ejecución Estas tareas parciales, que funcionan de forma independiente entre si. in tentan actuar de forma concurrente so bre los recursos del sistema, por lo que debe existir un elemento planificador o supervisor que asigne dichos recur sos. Dependiendo de la estructura hard ware de la unidad de control, mono o multiproceso, este supervisor puede ac tuar de dos formas: — Decidiendo, en cada instante, qué tarca estará activa y tendrá acceso a todos los recursos. — Gestionando el acceso a buses de los distintos procesadores, que es tarán ejecutando simultáneamen te en el tiempo (en paralelo) las tareas que tienen asignadas. Sea una u otra la acción desenca denada por el supervisor, son posibles varios métodos de planificación o de cisión, aunque los más utilizados en autómatas son el prioritario y el de ges tión de tiempos |l|. En el primer caso, a cada tarea se le asigna una prioridad, y el supervisor ac tiva la tarea más prioritaria de entre to das las que lo soliciten y estén habi litadas. Este método es típico para sis temas de tiempo real industriales, don de existen subprocesos con constantes de tiempo distintas, e interesa fijar las prioridades de atención según la criticidad en el tiempo de respuesta que exige cada subproceso. El método de gestión de tiempo o tiempo compartido («time sharing»)
consiste en asignar unidades de tiempo a cada tarea, unidades que constituirán el tiempo de ciclo deseado para ella. Una vez arrancado, el autómata irá ejecutando las tareas según esta plan tilla de tiempos, resolviendo las si multaneidades que se presenten en atención a la mayor o menor prioridad establecida para las tareas involucradas. De esta forma, se asegura el cumpli miento del tiempo de ciclo lijado para la tarea más prioritaria, siendo en las demás tanto menos probables de cum plirse conforme se va descendiendo ha cia las tareas definidas como menos prioritarias. Asi, por ejemplo, los autómatas de la serie T S X 7 de Télémecaníque pue den ejecutar «en paralelo» (casi en pa ralelo, ya que no existe simultaneidad en el tiempo), las siguientes tres tareas periódicas, ordenadas de mayor a me nor prioridad (figura 12.15): 1 tarea rápida (de 15 a 20 ms). — 1 tarea maestra que contiene el tratamiento secuencia! y combinacional de la aplicación (de 20 a 100 ms). — 3 tareas auxiliares, que contienen las sentencias definidas como me nos críticas: diálogo con el ope rador, tratamiento de textos, sa lida a impresora, salida analógica a registradores, etc. (de 100 a 300 ms). Además de las tareas periódicas, es
tos autómatas pueden ejecutar una ta rea interrupción no periódica muy rá pida (< I ms), asincrona y prioritaria a todas las demás, cuya ejecución se desencadena bajo una señal que pro viene de sucesos externos: posiciona miento de ejes, contaje rápido, etc. Esta tarea se tratará de nuevo en el apartado dedicado a interrupciones, er este mismo capítulo. La tarea maestra es una tarea peri*> dica y obligatoria, que ejecuta los ira tamientos combinacionales y secuerciales generales de la aplicación. Se ac tiva sistemáticamente desde el supe'visor, y permite habilitar/deshabililr desde ella a las otras tareas. La tarea rápida es la de mayor pri> ridad de entre todas las periódicas. E tratamiento de esta tarea debe ser más corto posible, tanto para permitir cortos tiempos de respuesta y alta fre cuencia de escrutinio desde el supe' visor, como para no perjudicar inn=cesariamente a las tareas menos pn rilarías. Las tareas auxiliares son tareas : . riódicas dedicadas a la atención de tratamientos más lentos o menos íc ticos, como la regulación sobre larg^constantes de tiempo, el intercaml" de datos y estadísticas con un PL maestro u ordenador, etc. Cada una de estas tareas se procer si no es interrumpida por otra de m.yor prioridad, según la conocida cuencia de adquisición de estados. : . (amiento del programa y actualizado*
Figura 12.15. Tratamiento multitarea.
PRIORIDAD ■ÍE51CW P t t l f MPfl'.i
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ESTRUCTURAS D I N tO O ftA M A C IÓ N
gura 12.16. Ciclo de ejecución de una tarea plantilla de tiempo.
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:: salidas, pero intercalando en la se mencia un reloj que fija el período o empo de ciclo de escrutinio fijado en : plantilla de tiempos, según muestra i figura 12.16. El tratamiento de esta estructura de programación por parte de la unidad de >ntrol es el siguiente (figura 12.17):
La estructura anterior se define so bre un autómata monoproceso, que sólo ejecuta, en cada instante de tiem po, una de las tareas programadas, la más prioritaria de entre las que de mandan atención. En autómatas multiproceso, un pro cesador coordinador asigna a cada C P U el acceso a buses internos de la unidad de control, según una cierta ordena ción, prioritaria o no. Cuando un pro cesador tiene el control de los buses, intercambia información a través de ellos con los demás procesadores (por ejemplo, para actualizar alguna de sus variables de cálculo) y con las me morias imagen de entradas/salidas, si son comunes a la unidad. Mientras, cada procesador ejecuta, simultánea mente en el tiempo con los demás, la larea que tenga introducida en su me moria de programa, independiente de las otras que forman el programa. De esta forma, y dado que un tratamiento multitarea en multiproceso no presenta interrupciones ni interferencias entre unas tareas y otras, se obtiene la ma yor velocidad de ejecución posible para el conjunto de la aplicación del usua rio. En una aplicación multitarea, y de pendiendo de la unidad de programa ción utilizada, podría programarse ade más cada tarea en un lenguaje de pro gramación diferente (gráfico o literal), buscando el más adaptado al trata miento definido en ella. De esta forma podrían darse, para una optimización del trabajo de programación y ejecu ción, tratamientos multitarea escritos en multilenguajes y corriendo sobre au tómatas multiproceso.
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12.5. T A R EA S R Á PID A S E IN T E R R U P C IO N E S Dada la necesidad presente en los sistemas de control de reaccionar rá pidamente a ciertos sucesos exteriores (detección de móviles a alta velocidad, alarmas fatales de proceso, posiciona miento de ejes, etc.), muchos autó matas, no estrictamente multiproceso. se liberan de la servidumbre del tiempo de ciclo del programa principal per mitiendo la programación sobre ellos de un bloque de programa de respuesta rápida, según una estructura hilaren for mada por: — tarea de mando, o programa prin cipal, — tarea de interrupción. El programa contenido en la tarca de interrupción, necesariamente limitado en longitud, interrumpe al programa principal en cualquier instante en que se produzca la interrupción, permitien do un tratamiento muy rápido sobre algunas variables, con una elevada fre cuencia de ejecución. Estas tareas de interrupción admiten un número limitado de entradas/sali das, que son leídas y actualizadas dentro de Ia ejecución de la tarea, sin esperar el principio o final del ciclo de refresco de la tarca principal (figura 12.18). La ejecución de la tarea de interrup ción puede ser inhibida desde el pro grama principal, habilitando o no la in terrupción que la dispara mediante un relé interno especial. De esta forma, el programa mantiene en todo momento el control de la tarea de interrupción.
AUTÓM ATAS m O O S A M A B L IS
— Ilanco de una señal binaria de en Irada, alcance de preselección en un contador rápido.
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Figura 12.18. Ejecución de una tarea de interrupción. permitiendo su ejecución o no según los intereses actuales de la aplicación. En general, el control sobre la in terrupción puede resolverse en tres ti pos de acciones: — inhibiéndola totalmente, de lorma que se pierde la solicitud de aten ción si aparece la interrupción bajo este estado, — memorizándola, para impedir su ejecución inmediata, pero recor dando la demanda para atenderla en cuanto sea posible, — permitiendo la interrupción, con lo cual se ejecuta el programa con tenido en la tarea rápida. Aunque el autómata es una máquina síncrona que ejecuta el programa de memoria según una secuencia orde nada de acciones (lo que afecta al tiem po de respuesta), podria en la práctica considerarse como un controlador en tiempo real si dispone de suficiente nú mero de interrupciones y tareas de in terrupción asociadas, convenientemen te priorizadas. Existen siempre en el autómata in terrupciones invisibles para el usuario, que éste no puede controlar ni inhibir, y cuyas tareas asociadas han sido de finidas por el fabricante y no son nunca interrumpidas por ninguna otra de pro
grama: son las interrupciones de ges tión del sistema, que permiten al au tómata - chequear periódicamente la C P U . buses y memorias, - mantener las bases de tiempo para los temporizadores programados, - actualizar el reloj de guarda, etc. Estas interrupciones, de acción trans parente al usuario, no son consideradas como disponibles para la programa ción, ni permiten definir a una má quina como multitarea. Las interrupciones de programa, dis ponibles para usuario, pueden ser de bidas a dos tipos de sucesos: exteriores, por cambios en señales de E/S. - interiores, por cambios en varia bles internas, y es muy frecuente que el propio usua rio pueda, en la programación, decidir a qué grupo pertenecerá la que dispare su tarea de interrupción. La interrupción por disparo exterior se utiliza para detectar eventos muy cortos (por ejemplo, móviles a alta ve locidad), o para asegurar la máxima ra pidez de respuesta (por ejemplo, reac ción a alarmas), y puede activarse por:
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La interrupción por disparo ínterin se utiliza para conseguir, sobre un nu mero limitado de variables, tiempos c. ciclo menores e independientes c. tiempo de ciclo del programa princip es decir, para asegurar la ejecución una tarea repetitiva a intervalos regu lares (por ejemplo, para asegurar el -guimiento en liempo real de algu . parte del proceso). En este modo de interrupción resu una aplicación realmente bitarea. en que el programa principal o de fon es interrumpido periódicamente p.~ controlar ciertas señales del proc;que exigen una mayor atención y ñor tiempo de reacción. En algunos autómatas, es pos asignar a la tarea rápida un period' tiempo, según una cuadricula dada el fabricante, transcurrido el cual se para una interrupción interna que dena la ejecución de la tarea. Este mismo efecto se consigue otros autómatas programando el o tador rápido de forma que sea acto mediante un temporizador interni muy baja base de tiempos (meno1 ms), pudiendo el usuario elegir i quier periodo de ejecución múltiplo tero de la base de tiempos. La tarea de interrupción alcanza máximas prestaciones cuando las que utiliza son especiales, particú mente rápidas frente a las estándar tas entradas/salidas rápidas se co guen reduciendo o eliminando el lili de la interfaz E/S. lo que permite tic pos de conmutación O N -O FF del den de I ms o incluso menos, con chos de impulso detectables de h 250 Debe preverse que la inclusión tareas de interrupción en una api ción incrementa siempre el tiempo ciclo del programa principal, ínel muy significativamente cuando son tivadas de forma reiterada. Esta cunslancia afectará a los tiempos respuesta de las variables incluidas dicho programa, llegando incluso a cer inviablc la acción de mando, por que deberá ser evaluada convenien mente.
us.
KSTRUCTURA9 D I PR O G R A M A C IÓ N
12.6. P A R A M E T R IZ A C IÓ N D E M Ó D U L O S F U N C IO N A L E S III aumento ele complejidad de las jrcas ejecutadas por autómatas lleva «ísigo un aumento proporcional de la 0 ocultad en su programación. No basta con que el fabricante defina -".guajes con un elevado número de " direcciones de variables, constantes, :evtos, etc.). Existen diferentes niveles de com: idad y estandarización en estos b)o. ,es funcionales, que se encuentran sponibles como funciones de fabrimte según su mayor o menor de manda:
— Funciones de comunicación, para autómatas que admiten conexio nes punto a punto o en red con otros elementos (recepción, trans m isión, param etrización de la unión física, etc.). — Módulos funcionales, totalmente parametrizables. utilizados para resolver funciones muy específi cas o muy deseadas por el usuario. Excepto el último grupo (y even tualmente las funciones de comunica ción), todos los demás bloques funcio nales descritos forman parte del len guaje de autómata, básico o expandido, y son tratados durante el escrutinio y ejecución del programa como una ins trucción más, con mayor o menor gra do de parametrización. Por ejemplo, la función S E N D de Omron S Y S M A C Serie C se utiliza para enviar datos a un dispositivo co nectado al autómata via red local SYSN E T del mismo fabricante.
La estructura de la función es la si guiente: Nombre Dirección Fuente inicial Dirección Destino inicial Datos de control
SEN D
SB
DB C
(n ú m e ro de palabras, d i rección de en vío)
La función reporta sobre relés inter nos especiales la siguiente información: — Red libre u ocupada. — Transferencia correcta o errónea. En el ejemplo de aplicación de la fi gura 12.19, la función S E N D se utiliza en una forma de parametrización in
Figura 12.19. Transferencias de datos mediante funciones de comunicación.
C o n fia n te 10 en re g is tro DM 000 0 (n * d e p a la b r a s )
C o n s ta r le 0 en reg istro D M 0 0 0 ) (d ir e c c ió n d e u n id a d d e s tin o )
C o n s ta n te J en r e g is tro DM 0 0 0 2 (n® d e puerto en u n id a d d e s tin o )
Bloques funcionales básicos, de carácter secuencial, de uso uni versal (temporizadores, contado res, etc.). — Bloques funcionales de expansión, ofrecidos como expansiones al lenguaje básico (operaciones arit méticas, conversiones de código, etc.). — Tratamientos de bloques o tablas de datos, que permiten la gestión de altos volúmenes de informa ción. para transferencias, estadís tica, etc. (lectura/escritura de blo ques de datos, com paraciones múltiples, aritmética multipalabra, búsquedas en tablas, etc.).
E n v ía »0 p a la b r a s d esde d ire c ció n 0 00 a re q is tro s DM0Q10 ~ DM0019
T r a n s fie r e d e s d e re g is tro DM0010 (en fu e n te ) o r e g is t r o O M 0 0 2 0 (e n d e s tin o ): 10 p a la b r a s a u n id ad de r e d 0 por p u e r to n ° 3
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AUTÓM ATAS PftO O R A M A BLIS
directa, donde los parámetros que ne cesita no se le indican directamente, sino a través de cienos registros de da tos (DM10, DM20, DM0-DM2), siendo el programa previo quien se encarga de actualizar la información en estos re gistros, en el ejemplo, con constantes, pero también es posible con variables generadas por programa. Esta función de comunicación sigue siendo, a pesar de su parametrización más completa, una instrucción más dentro del lenguaje de usuario, y en este sentido no presenta diferencias conceptuales respecto a los bloques funcionales básicos o de expansión. Los módulos funcionales se colocan en un apartado bien distinto: módulos software programados por completo, contienen desarrollos funcionales com plejos y cerrados, que son necesarios con frecuencia para confeccionar el programa de aplicación. A diferencia de los bloques anterio res, los módulos funcionales no están incorporados al lenguaje de autómata, sino que deben ser generados por el usuario, o adquiridos al fabricante, y tratados como extensiones no estándar del lenguaje empleado. Durante la programación, los mó dulos funcionales en la biblioteca pue den ser llamados varias veces, y, como son parametrizables, puede indicárseles en cada llamada los parámetros actua les deseados. El módulo funcional está construido de tal forma que el usuario es guiado por el entorno de programación al en samblar el módulo en su programa. Una vez llamado, el módulo aparece con sus operandos formales (paráme tros), identificados por nombres o abre viaturas, para que el usuario coloque en ellos los valores deseados en ese punto del tratamiento (figura 12.20). La parametrización del módulo pue de hacerse en forma directa o indirecta. En el primer caso, los valores finales de los parámetros se colocan directa mente sobre las correspondientes en tradas del módulo, mientras que en el segundo se le indican al módulo las di recciones donde puede encontrar esos parámetros. Esta última forma de parametriza ción permite modificar «on-line» el funcionamiento del módulo, según la evolución del programa.
Nom bre
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f AW3. AW1) P a rá m e tro s
formales V a lo res a c tu a le s de po rárnéllG S
a l) Modulo funcional aritmético
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AO 0 -d e s b o rd a m ie n to A O 1: r e s u d a d o ig u a l a c e r n
b1) O peración interna
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admite irterememos n* de entradas
c 2) D iagram a ae contactos a2) Modula funciona! lógico
Q r ( l n l O R 110 O R
. O R I 1 x ) A N O (! r i2 OR 120 OR
O R I2 x )
b2) Operación interna
Figura 12.20. Parametrización de bloques funcionales. Si el módulo funcional es generado por el usuario, éste lo hace dentro de un entorno de programación que per mite, además de la edición, compila ción y transferencia de programas a la C P U , la edición y gestión de bibliotecas de módulos, escritos con las instruc ciones disponibles en el lenguaje o len guajes usados. En la edición de estos módulos, el usuario define en primer lugar sus co nexiones externas (número de entra das/salidas, si admite o no inversión y duplicación de señales, etc.). A conti nuación, y utilizando los lenguajes de programación que permita el entorno software, programa las sentencias que definen el tratamiento sobre las varia bles de entrada. En último lugar, identificado con un nombre propio y documentado con venientemente, es enviado a la biblio teca en disco, para desde allí ser lla mado y parametrizado con los valores actuales cuantas veces se desee. Por supuesto, los módulos funcio
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nales generados pueden ser tan cor piejos como se quiera, bien por su e» tructura intrínseca, bien porque se * tienen como combinación de otros prvios. Como ejemplo de estos últimos, figura 12.21 muestra un módulo fu* cional múltiple, de Siemens, que re suelve una tarea de regulación sob* sistemas con constantes de tiempo tt » yores de 100 ms. Los módulos elementales que cor» ponen el paquete realizan, por ejemr regulación, ajuste al valor prescrito. .. neración de tramos poligonales, etc pueden realizar funciones que no > * posibles en muchos reguladores cor pactos (si bien la regulación progmada presenta un desventaja intrin^ ca, las relativamente elevadas cónsu les de tiempo exigidas al proceso a o r trolar, forzadas por el tiempo de e cución del algoritmo). Las interfaces entre los módulos palabras (registros) de datos cuyas c recciones se indican como paramen
ISTRUCTURAS D I PltO O ltA M A C IÓ N
Rwijul.iiJo»
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de valor présenlo
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FB209 Calculo de valor medio
f B208 Alisado
FB207 T ram o poligonal
En el programa de regulación, los interruplores dibu|ados entre tos FB se sustituyen por palabras de datos
tura 12.21. Módulo funcional para regulación software con autómata Siemens S5-I00Ü.
■
..rúales al parametrizar el módulo. En -V.os módulos de datos se indican, por r emplo. los valores de consignas, los parámetros de ajuste del regulador, et cétera. El módulo se introduce en memoria . mo un programa estructurado (figura 2 22), con los enlaces posibles entre nodulos constituyentes predefinidos : el fabricante, e indicados al usuario :esde la unidad de programación para uue seleccione la configuración desea da (regulación proporcional, en casca da, adaptativa, por pasos, etc.). Para desincronizar su ejecución con tiempo de ciclo del programa prin cipal, el módulo se ejecuta en funcio namiento multitarea, a intervalos re culares indicados por una plantilla de •empos. E l período de escrutinio es fi ado por el usuario a un valor de 1/10 eces la menor constante de tiempo del ¡stema controlado, a fin de asegurar el puen funcionamiento de la regulación, sin interferir innecesariamente en el programa de mando principal.
12.7. P R O G R A M A C IÓ N D E P R O C E S A D O R E S P E R IF É R IC O S IN T E L IG E N T E S Se han definido anteriormente los procesadores periféricos inteligentes como interfaces específicas microprogramadas por el fabricante, capaces de ejecutar una acción de mando de tra tamiento complejo (regulación de pro cesos, posicionamiento de ejes, etc.) desde sus propias entradas/salidas y sin intervención de la unidad central, fuera de la lectura inicial de una simple lista de datos numéricos (parámetros de configuración) y, evenlualmente, inter cambio de avisos de proceso (supera ción de límites, fin de trayectoria, et cétera.). Estos periféricos, que ejecutan tareas de control en paralelo con las que co rren sobre la C P U principal del autó mata, deben considerarse parte de un sistema multiproceso, donde se encar gan de resolvei las tareas más especia lizadas.
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Bajo este punto de vista, su progra mación definirá un tratamiento multi tarea en la aplicación, aunque con al gunas particularidades: - La tarca asignada al periférico es cerrada, es decir, no es modificable por el usuario. - La programación no existe como tal. sino que se limita al envío de más o menos parámetros de con figuración. bien en forma de ta blas, bien como un listado (muy corto) de sentencias que definen la operación. - No es necesario un gestor o su pervisor de tareas, al ser consi derado el periférico como un mó dulo más de entradas/salidas des de la C PU . En general, la programación de los procesadores periféricos inteligentes se realiza por introducción de un bloque de parámetros desde una unidad de programación específica, bajo un en-
Figura 12.22. Estructura de programa del módulo funcional de regulación. torno software amable con el progra mador. Eventualmente, el acceso a los datos del procesador no podrá reali zarse con las instrucciones disponibles en el lenguaje de programación em pleado, sino que necesitará de un mó dulo o subrutina específica ofrecida por el fabricante para esta función. Este bloque es parametrizado por el usuario desde la unidad de programación, y uti lizado después como una instrucción más en el listado de su programa. Se indica en la figura 12.23. como ejemplo de programación de periférico inteligente, el de la tarjeta posicionadora Siemens 1P 2461, para posiciona miento y regulación de dos ejes inde pendientes con accionamientos regu lados en velocidad. La tarjeta, que posee (como todos los periféricos inteligentes) sus propias entradas/salidas digitales y analógicas para interactuar con el proceso (figura 12.23), puede leer distintos tipos de captadores (increméntales y absolutos)
y posicionar los ejes siguiendo trayec torias lineales o circulares (interpola ción lineal o circular). Los datos de configuración de la má quina y el programa de movimientos necesarios (ver apartado 9.4.2) son de positados por el usuario en la R A M in terna de la tarjeta con la unidad de pro gramación adecuada o, más rigurosa mente hablando, con la unidad de pro gramación que contenga el programa de sistema adecuado para acceder a la memoria de la tarjeta. Las coordenadas del movimiento, y la velocidad del recorrido, son progra madas por el usuario: — en el programa principal, como consignas durante el funciona miento (mando «on-line»), - en la memoria de programa de la tarjeta, desde la unidad de pro gramación adecuada. Con estos datos, e interpretando los
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programas de recorrido (en la tarjeta i. se ordena continuamente el movimien to de los ejes. La posición instantánea de los den ejes (necesaria para cerrar el lazo ds regulación) se calcula a partir de los im pulsos de captadores de posición in creméntales o absolutos («encoders> Un regulador proporcional de posi ción calcula el valor de velocidad qun necesita el eje, basándose en la po:ción actual (medida por el «encodeo i y en la de consigna (indicada como pa rámetro en el programa). Esta veloci dad se entrega como consigna de ser J analógica ± 10 V rc- al variador de ve locidad del motor, que cierra con un lacómetro su propio lazo de regulación. La programación/parametrizacii anterior, de - datos de configuración de la ma quina, - programa de movimientos. - coordenadas y velocidades.
KSTRUCTURAS D I PR O G R A M A C IÓ N
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cambio de datos entre la C P U (mó dulos de datos) y la RAM-bus (bufTer) del periférico. Con estos intercambios, la C P U está en disposición de: leer, borrar y transmitir datos de configuración de la máquina y programas de movimiento a la tar jeta IP 2461, solicitar la lista general de datos de máquinas y programas de mo vimiento almacenados en la tar jeta (en total, hasta 255 progra mas), - leer el valor real de posición, y los recorridos transcurridos y rema nentes. En definitiva, la programación y uti lización de este procesador periférico inteligente pasa por las siguientes fases (figura 12.25): • Introducción del programa de mo vimientos. — Datos máquina: — velocidades límite, — aceleraciones y retardos, — puntos de referencia, — final de carrera software, — valores de corrección, reso luciones, etc. — Programa de movimientos: — inicio y final del recorrido, — tramos parciales, — velocidades en cada tramo, etcétera. • Control desde la C P U — Envío de consignas (posiciones) y órdenes de marcha. — Lecturas de posición y estados del movimiento. El programa de movimientos, resi dente en memoria R A M de la tarjeta, puede enviarse desde la unidad de pro gramación, o desde la C PU , mediante el F B 165. E l control de tarjeta, que puede rea lizarse desde la unidad de programa ción en la puesta a punto, se realiza habitualmente desde la C P U , con los módulos F B 164 o F B 165. Como se ha visto, la programación de un periférico inteligente consiste bá sicamente en la parametrización de la tarjeta con los valores deseados por el usuario, bien directamente desde la
P R O G R A M A C IÓ N PA R A M E TROS
1
PRO G RA M AC IO N M OVIM IENTO S 1 1,
Configurocion eje
12
M o vim ientos
MANCO
2. C O N T R O L 2.1 72
C o nsign as v ordenes L e e tu io de estenios
Figura 12.25. Programación de un procesador periférico inteligente.
unidad de programación, bien desde el programa usuario durante la operación, utilizando para ello los bloques funcio nales. macroinstrucciones o subprogramas previstos por el fabricante, que, parametrizados desde el programa, se in cluyen en éste como instrucciones adi cionales
12.8. RESUMEN 1.a programación de autómatas uti liza metodologías de descripción lineal de la tarea de aplicación para aquellos programas más sencillos, que necesitan pocas tomas de decisión durante la eje cución, o más completas estructuradas cuando la tarea de control puede di vidirse en partes, coincidentes con dis tintos subprocesos o subtareas de la aplicación, de ejecución normalmente condicional a alguna variable del pro ceso. Estas subtareas se programan sobre módulos o subrutinas de programa, que son llamados desde un programa raíz o principal. La programación estructurada pre senta ventajas tanto en la concepción como en la explotación del proyecto, dado que el trabajo sobre módulos in dependientes entre sí (o enlazados por sus condiciones de entrada y salida), facilitan la programación, documenta ción y puesta a punto de la aplicación. Si los módulos son ejecutados por procesadores especializados (de co municaciones, control, aritméticos.
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etc.), se obtienen además significativas reducciones en el tiempo de ciclo em pleado en el escrutinio. Los autómatas de gama alta, nor malmente con estructuras de multi o coprocesadores, y programados desde entornos multilenguaje, son capaces de establecer secuencias de control sobre variables o procesos independientes entre si en el tiempo. Estas secuencias, que pueden ser to talmente asincronas, exigen tratamientos multitarea que reserven para cada una sus propias entradas, salidas (compartí das o no) y programa de aplicación. Por esta razón, los tratamientos multitarea necesitan de un gestor de re cursos que asegure a cada tarea el ac ceso a los mismos, y evite conflictos er su uso compartido. No es ésta la única diferencia entr; ambas formas de tratamiento. Concre tamente, las características que identi fican a una y otra son las siguientes: Tratamientos manota rea. • En autómatas con un solo proccs dor, un ciclo de operación. • En autómatas con varios procesa dores, reparto de instrucciones de programa según especialidades, • ejecución secuencial sobre los distin tos procesadores, pero también ur solo ciclo de operación.
Es decir, las instrucciones se ejec. tan secuencialmente, una tras otra. E r cada instante de tiempo sólo se esu resolviendo una sentencia, o, lo que lo mismo, sólo se está generando ur. señal de control, interna o de salida Tra tam ientos muhitarea. • En autómatas con un solo proces. dor varios ciclos de operación, mu:tiplexados entre sí en el tiempo. • En autómatas con varios procesa dores, varios ciclos de operación, q i. sc ejecutan simultáneamente en : tiempo.
En todos los casos se generan tan! señales de mando como tareas se ha yan definido en el programa de contr. cada una obtenida sobre un procesad' distinto. Aunque, como se acaba de indicauna estructura multitarea puede est. soportada por una única C P U , que sal
KSTRUCTURA1 D I M tO O RA M A C IÓ N
ana a otra tarea continuamente para ejecución, la aplicación correrá de rma más eficiente si cada C P U de un sistema multiprocesador se encarga de : ecutar las tareas parciales, y aún más el sistema multiprocesador es al mis - tiempo mulliproceso, es decir, si las zeas pueden ser ejecutadas simultá-tamente, en tiempo real, sobre las -untas C PU . De forma análoga, una estructura notarea que utilice subrutinas fun. nales también correrá de forma más •\-iente sobre un hardware multipro. -idor, aunque, en su forma más sim e. de programación lineal, usualmen. el programa está soportado por una .nica C PU . Algunas tareas, al igual que muchos Julos o subprogramas, son de uso ft-eral en automatización, por lo que > fabricantes ofertan bibliotecas de - Julos funcionales ya programados. . el usuario puede incluir directanente en su programa, o incluso crear
con ellos tareas completas, que luego intercala en el programa como parte de su tratamiento. Un caso particular en la programa ción multitarea es la que aparece cuan do se utilizan procesadores periféricas inteligentes, tan especializados para ta reas concretas que pueden ejecutarlas de forma asincrona al programa prin cipal, necesitando de la C P U única mente para la parametrización inicial que los adapte al proceso o planta so bre la que operan. En general, el programador procu rará estructurar o subdividir su apli cación de la forma más completa po sible, según los recursos hardware de que disponga, programando las tareas de forma estructurada, y, si su com plejidad lo exige, definiendo varias ta reas de ejecución simultánea, Obsérvese cómo la programación G R A F C E T , ampliamente tratada en esta obra bajo diferentes puntos de vis ta, puede ser, considerada también
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como una forma de programación es tructurada. particularmente adaptada a la programación de procesos secuenciales. 12.9. R E F E R E N C IA S MI Michel. G Autómatas Prograrnables Indus triales, Ed Marcumbo. 1990. (2|. Módulos funcionales estándar pura autómatas progrumubles dé la serie IJ Siemens. Catálogo ST-57, 1991
Manuales ¡le amántala de varias latineantes 1. S1BMHNS. Autómata Programable S5-10Ó I (C P U 100) Edición octubre 1986 2. O M RO N Manual de Programación S Y S M A C Serie C febrero 1991 3. T O SH IB A , Programrmng Manual E X Series EX200B/250/500. 1986 4 T É LÉM E C A N 1 Q U E. Programación T S X T407. Contactos T S X 67/87. Lenguaje Contactos. M a nual 10. 1986 C IM T E L - Tt.l ÉM EC .A N IQ U E. L o s Auto matismos Prograrnables Integrados. 1992. 6 ID EC IZUM1 Fft-38 Series. User’s Manual PF3S-CPII Standar CPU. Marzo, 1992 FA-2Junior Series. User’s Manual Abril. 1990.
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- municucicm entre el usuario y el utómala para la programación del misno. y entre el usuario y la planta para observación y el control. La comunicación a establecer, tanto ~ra programación como para el conr"I, lo será siempre sobre el autómata. ,ue dispone para ello de los coneeiores conexión adecuados, en la C P U para programación, o en la C P U o pro badores auxiliares de comunicaciones para la explotación y el servicio (figura <3 11. Como se ve en dicha figura, el ac e-so al autómata no está limitado en espacio: con las pasarelas («gate* j >s ») adecuadas (por ejemplo, mo je ms para una red telefónica) es po-le actuar sobre el autómata desde un unto remoto, apoyándose en una red ■m soporte físico eléctrico, óptico o r alámbrico. Ln este capítulo se describen las unibdes de programación y servicio coseetables a los A PI. incluyendo entre . Ls las consolas de programación, los e; mínales de explotación y de usuario, . s visualizadores, etc.
13-2. E Q U IP O S D E PR O G R A M A C IÓ N El equipo de programación de un —•.órnala tiene por misión configurar, meturar, programar, almacenar y »probar las diferentes funciones del • omatismo, tanto las contenidas en » C P U básica, como las que aparecen • ore las C P U auxiliares y módulos pe ' lencos. Se define entonces el equipo de proi'-imadón como el conjunto de medios •jrdware y software mediante los cua
— Edición y documentación del pro grama o aplicación. Almacenamiento y gestión del programa o bloques del programa. — Transferencias de programas de 5 hacia el autómata. — Gestión de errores del autómata, con identificación de los mismos, ayudas para su localización y co rrección, y rcinicializacíón del sis tema. Además de las funciones anteriores, es muy frecuente encontrar otras adi cionales: — Puesta en marcha y detención del autómata (R U N /ST O P). — Monitorización del funcionamien to, sobre variables seleccionadas o sobre las propias lineas del pro grama. — Forzado de variables binarias o numéricas y preselccción de con tadores. temporizadores y regis tros de datos. El programador se comunica con el equipo utilizando un entorno operativo simplificado, con comandos como edi tar, insertar, buscar, transferir, etc . mientras que introduce en él el pro grama escrito en alguno de los lengua jes analizados en el capítulo 10. Introducido el programa, el equipo de programación lo compila a: — Código máquina ejecutable direc tamente por el procesador del autómata. — Código intermedio interpretado por el procesador del autómata para obtener un código máquina ejecutable. En el primer caso, el equipo será es pecífico para el autómata considerado, o ha sido configurado para él, mientras que en el segundo podrá utilizarse para autómatas equipados con diferentes procesadores, aunque siempre del mis mo fabricante, restricción obligada por el empleo de lenguajes, o variantes de lenguaje, particulares por cada fabri cante. Debe indicarse que el programador necesita siempre introducir una confi guración adicional sobre el equipo, a fin de que el sistema pueda verificar el
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mapa de memoria que se está utilizan do, aceptar o no instrucciones parti culares, comprobar el número y tipo de variables utilizadas, etc. En general, los equipos de progra mación podrán ser de dos tipos: - Específicos, bajo la forma de una consola o terminal conectado di rectamente a la entrada de pro gramación del autómata. - Implementudos sobre una máqui na de uso general, mediante un software dedicado que corro bajo un entorno operativo de amplio uso (D O S. U N IX , W IN D O W S ). Entre los equipos específicos, y se gún su complejidad, podemos distin guir dos variantes: - Consola o unidad de programa ción. - Terminales de programación. Aunque conccptualm cnte existen pocas diferencias entre unas y otros, éstas se hacen evidentes cuando se considera la facilidad de manejo e in tegración de ayudas al programador: al macenamiento, documentación, traba jo con símbolos, etc., las cuales son funciones propias de los terminales que no aparecen o son muy reducidas en las consolas de programación. 13.2.1. Consolas de programación Las consolas son pequeños disposi tivos de bolsillo que permiten la pro gramación, apiste y diagnóstico del autómata (figura 13.2), con un visualizador («display») apto para observar una (o pocas) lineas de programa, li teral o de esquema de contactos, y un teclado alfanumérico dividido en tres, zonas: - teclas de comandos (insertar, bo rrar, transferir, etc.), - teclas de instrucciones (L O D , A N D , N O T, T1M. etc ). - teclas numéricas, normalmente decimales ( 0, I, 2. etc.). Son dispositivos portátiles y de bajo precio (aunque significativo frente al de un microautómata), especialmente úti les para las intervenciones de ajuste en planta: edición de alguna línea de pro
Q W E R T Y y su pantalla de gran ta maño, que permite la visttalhación bloques completos de programa, cu • idenii/leación simbólica de las variable» y menás de ayuda «on-line». Con todos los elementos propios c. un miniordenador autónomo, a sabe* ■ — procesador, — memorias, — interfaces y puertos de entrad salida, — monitor y teclado, — sistema operativo y software t 4 aplicación, los terminales constituyen verdade. estaciones autónomas de trabajo c . dicadas a la programación de u c. 4 matas y, de hecho, su objetivo con.L consiste en integrar un puesto de tr. I bajo evolucionado que permita prog . J macíón combinada en distintos . guajes, edición del programa por W » l ques, manejo de librerías, s im u la o a J del programa resultante, conexión ■ otros ordenadores por red informát -¿I o a redes de autómatas específicas M fabricante, etc. El manejo de estos - I mínales es muy simple, gracias al >-| pleo de teclas funcionales y ayuda :~l linea que facilitan el acceso a todas I funciones: grama, forzado de variables durante la puesta a punto, modificación de valores numéricos de preselección, etc., aun que para aplicaciones más ambiciosas presentan los problemas inherentes a su simplicidad: dificultades para trabajar con más de un programa simultáneamente, - dificultades para el alm acena miento y/o impresión de progra mas: necesita conectarse a una unidad exterior (PC . terminal de programación, módulo de cone xión a impresora) para alcanzar estas funciones (la consola de la figura, sin embargo, permite al macenar programas sobre tarjeta magnética), — muy baja o inexistente capacidad de documentación del programa (uso de símbolos, textos de ayuda, etcétera). Pese a estos problemas, las consolas
de programación son verdaderos ter minales inteligentes, con su propio pro cesador y memorias, que permiten tra bajar, con una alimentación auxiliar, fuera tlel enlamo del autómata, lejos de la planta donde éste está instalado, fa cilitando el desacoplo entre la edición y la explotación del programa. En el caso de autómatas equipados con memorias exlraíbles. tipo E P R O M o E E P R O M , la consola permite tam bién la grabación de esta memoria. La tendencia actual, sin embargo, pasa por incorporar la m em oria ( E E P R O M ) . junto con los circuitos de programación de la misma, en el interior del autó mata, oculta para el usuario, siendo la propia C P U la que se encarga del con trol de grabación a partir de los datos transmitidos desde la consola. 13.2.2. Terminales de programación El terminal de programación se dis tingue de la consola por su teclado tipo
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— programación «off/on line». búsqueda y corrección de in sr.. ciones, — señalización del estado de se*" _ I — mando de variables y autóm
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■QUIPOS 01 PftOORAMACIÓN Y StlIVICIO D« LOS API
pujando a los fabricantes a prescindir de los equipos hardware específicos para programación, exceptuando las pe queñas consolas portátiles. Asi, en franco desuso estos equipos específi cos, sus funciones están siendo asu midas por los entornos software sobre PC de uso general.
13.2.3. Software para la programación
tura 13.7. Terminal FIT-10 de Omron. •'ogramación, el bajo precio de éstos ; la presión de los usuarios por coni guir el software de programación (en vjs versiones reducidas, unos pocos üsquetes) sin cargo alguno, está em
Los paquetes de software para pro gramación de autómatas convierten un ordenador personal en un equipo de programación especifico, aprovechando sus potentes recursos de interfaz con otros sistemas (impresoras, otros PC ) y con el usuario (teclado, monitor), y el bajo precio del hardware debido a la estandarización y generalización de uso de los ordenadores compatibles. Esta opción (PC+software) constituye, junto con las consolas —y éstas en menor me dida— prácticamente la totalidad de equipos de programación utilizados por los programadores de autómatas.
cura 13.8. Conexiones del terminal FIT-10.
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Los requisitos de hardware y soft ware exigidos para instalar sobre el PC un entorno de programación de autó matas suelen ser, en general, muy li geros, sobre todo cuando la instalación se realiza sobre sistema operativo DOS: - Ordenador P C / A T compatible (procesador 286/386 en adelante). - Sistema operativo instalado MSD O S 3.0 u supeúw. - 47Ü K de memoria R A M conven cional (frecuentemente, no se uti liza memoria extendida o expan dida). - Lector de disco de 5 'A o 3 vh pul gadas para cargar el software. - Un puerto serie COM 1/COM 2 para conexión con el autómata, y excepcionalmente otro para ma nejo del ratón. - Opcionalmente, un puerto para lelo de conexión con impresora para volcados de impresión. Algunos entornos actuales que co rren bajo Windows (por ejemplo, SYS-
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Selección del tipo de autómata, según fabricante. Modo de trabajo usuario - Programación numérica o simbólica. - liso o no de etiquetas y tex tos. - Variables reservadas por el usuario, etc. - Parametrización de impresora. - Longitud y ancho de página. Tipo de impresión (normal, comprimida), etc. - etcétera. • M E N Ú D E P R O G R A M A C IÓ N : tidición de programas y textos au■diares, con posibilidad de combi naciones multilenguaje. y compila* . n/decompilación al programa ob elo que se transfiere posteriormente la memoria del autómata. - Editor literal, que permite la edi ción del programa en lista de ins trucciones, con variables, símbo los y comentarios. Editor gráfico, en diagrama de contactos, bloques funcionales, o combinaciones entre ambos. Editor gráfico G R A F C E T , con in troducción directa (dibujo en pan talla) de los símbolos de etapas y transiciones, y programación de éstas con editores literales o grá ficos. - Editor de símbolos, con las varia bles presentadas en forma de lista, ¡unto con sus símbolos, comen tarios, referencias cruzadas, mapa de variables utilizadas, etc. - Editor de bloques funcionales y gestión de librería, que permite al programador definir los bloques a utilizar en el editor gráfico (macros), y la gestión de su librería (copia, borrado, renombrado,...). Editor de textos auxiliares, de ca becera y pie de página de listados, de presentación de proyecto, de documentación aneja, etc. • M E N U D E L IS T A D O S , por panta lla, impresora o puerto de comuni caciones. — Listado de la configuración deci dida en el menú sistema. — Listado del programa fuente (li teral o gráfico), con los textos au xiliares.
- Listado tle símbolos utilizados, con referencias cruzadas. — Lisiado del mapa de variables usa das. etc. • M E N U D E T R A N S F E R E N C IA S , desde y hacia el equipo de progra mación (PC ), para carga, lectura y verificación de programas de autó mata o consola. — Transferencias PC-API. — Transferencias PC -consola de pro gramación — Arranque y parada del autómata desde el ordenador, etc. • M E N U D E M O N IT O R , para monitorización y forzado de variables de autómata. — Simulación del programa sobre el PC, para verificar su coherencia. — M o n ito riz ació n del programa usuario en el autómata, con ob servación de bloques completos de programa y variables en pan talla. — Búsqueda de variables de progra ma. — Forzado de estados de variables, o modificación de preselecciones de temporizadores, contadores u otros registros. Si el paquete está corriendo bajo Windows, los menús aparecen desple gados en forma de ¡conos y el usuario se mueve por ellos utilizando el ratón en la forma habitual: activar/desactivar funciones, arrastrar, cortar y pegar blo ques de programa sobre el listado o desde/hacia el portapapeles, etc. El núcleo principal de estos paquetes de programación lo constituye el editor o editores disponibles, que permite la introducción del programa, y el mo nitor sobre autómata, que permite la verificación de su funcionamiento. El primero permite insertar, borrar, sustituir, buscar, importar o exportar a disco o memoria, etc., instrucciones, símbolos de programa o programas completos, con filtros sintácticos que entregan mensajes de error o adverten cia si se cometen errores durante la edi ción o compilación del programa fuen te obtenido. La edición en G R A F C E T . reservada a unos pocos de estos paquetes, los de intenciones más ambiciosas, permite
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desarrollar programas de forma gráfica dibujando primero la estructura se cuencia! del programa en forma de eta pas y transiciones, y programando des pués las condiciones de transición y las órdenes de etapa, tanto en forma literal como gráfica de contactos o bloques (figura 13.10). La disponibilidad de un programa fuente en G R A F C E T per mite después, durante la monitoriza ción y puesta a punto, un mejor se guimiento de la evolución de la apli cación e identificación de los errores. El monitor permite comprobar el funcionamiento del programa sobre la aplicación, con lectura y forzado de va riables (entrada, salida o internas) des de PC y simulación de la activación de entradas, por lo que constituye una he rramienta imprescindible durante la puesta a punto. Una secuencia típica de trabajo des de un PC convertido en equipo de pro gramación seria la siguiente: 1. Arranque del sollware de progra mación, contenido en disco o disquete. 2. Configuración de la aplicación, nombre de la misma, documentación general, tipo de autómata, etc. 3. Edición y compilación del progra ma, con los símbolos y etiquetas uti lizados. 4. Listado de! programa, para do cumentación y trabajo. 5. Transferencia del programa al au tómata en alguna de las formas usuales, a saber, directamente en la planta, me diante volcado previo en la consola, o a distancia sobre una red de comuni caciones. 6. Monitorización y depuración del programa, en un proceso iterativo de edición, compilación, transferencia y monitorización que acaba cuando éste funciona correctamente. 7 Impresión de la documentación final del proyecto, y copia de seguridad, en disco o disquete.
13.3. M O D O S D E T R A B A JO D E L O S E Q U IP O S D E PR O G R A M A C IÓ N Los equipos de programación fun cionan en diferentes modos, según la fase del desarrollo en que se encuentra el programador:
► configuración del uutómula < red de autómatas. ► configuración de la impresora » configuración de puertos de co municaciones para transieren cías.
Inicio
001
Condición previo 10001
FC 1/3
001 -
F8
I
1003
II
II
C ilin d ro s A y B o tras M
O
1
MAN/AUTO 002 11
rfA/AUl 002 —f- F B
Esp era T2 003
IL
20 s 003-
Avance A* Avance A-f 00A IL FC7+T1
004, - FB
Avance 0 + 005 1L
Retorno
FCA
F C1
0 05 -4 -F B
006
R etorno B 007
006
Rec
500A
Word
In sir
00000 00000 LOO 00001 0UT 00002 TIM 00003
O p erand M Q T
Symbol
Com m eni
H
0200 01 UZ 0100
A IL
Esp e ra B 008
FC 3 007
E sp era A 009
006 MAN/AUTO 002
Figura 13.10. Programación GRA FCF.T, con detalle de una transición y una etapa. — edición del programa de usuario, — puesta a punto de la aplicación, — documentación, etc. Dentro de cada modo, el progra mador accede a sus funciones propias mediante los comandos específicos (por ejemplo, en modo editor, borrar, in sertar, buscar, substituir, etc.). Dado que la función básica del equi po de programación consiste en intro ducir y corregir un programa sobre el autómata, los modos de trabajo de los diferentes equipos son semejantes en tre si, aunque, en la práctica, su pre sentación pueda tener un aspecto muy diferente entre unos y otros fabrican tes. De hecho, resulta muchas veces más difícil conocer y utilizar con sol tura una unidad de programación dada que encontrar las diferencias de pro gramación entre unos y otros autó
matas, sobre todo si utilizan el mismo lenguaje (instrucciones, contactos, etc.). Los terminales y los entornos soft ware de programación sobre PC incor poran teclas funcionales multiplexadas. con diferente función (comando) según el modo de trabajo en que se encuentre la unidad, y pasos entre modos orga nizados por menús en árbol. Más sencillas, las consolas permiten menos variedad funcional, y las fun ciones de uso más frecuente suelen aparecer identificadas con su propio nombre grabado sobre la tecla: insertar, borrar, transferir, comparar, etc. Los modos de trabajo, con sus fun ciones usuales, para un equipo de pro gramación estándar son: - Modo configuración'. • configuración del equipo de programación.
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Modo editor: * introducción del programa ei memoria, de la unidad, del au tómata, o en un cartucho móv * comprobación ortográfica y sntáctica * compilación del programa í n digo máquina (si el funciona miento de la C P U es interprc tado, la compilación, si es ne cesaria, se realiza desde el le guaje de alto nivel utilizado i lenguaje básico del P L C con siderado: lista de instrucción.» o diagrama de contactos, y n» a códigos máquina de micro procesador de C PU ), ► edición de la documenlackr asignación de etiquetas o idt'tificadores de variables, intro ducción de comentarios, enca bezamientos y pies de p á g ri para impresión, etc., * listados, de programa (con; lado o no), de simbólicos t operandos (etiquetas), de menlarios, de referencias c a zadas, etc. Modo de transferencias: * archivo de los programas en porte masivo (cinta, disco. ¡ jeta), * grabación del programa en n moria no volátil. * transferencias hacia y desde ~ autómata, para envió o re . peración de programas de .1 cación, » comparaciones y verificación entre programas en diferent.» localizaciones (autómala-eq. po de programación, cquip disco de almacenamiento. ct< Modo monitor: * arranque/parada del autóma. * visualización dinámica del pitgrama, por bloques o variable». * forzado de estados de variabl * cam bios de preselección 0-. lemporizadores. contadores registros de datos.
sora. canales de comunicación, mó dulos de enlace, y otros. E n el modo de programación se ge nera y documenta el programa de apli cación para usuario, y se comprueba su validez sintáctica, con un editor de tex tos o gráficos semejante a los de uso general. Las transferencias permiten el mo vimiento de los programas entre los equipos de desarrollo (programadores), almacenamiento (cinta, disco) y apli cación (autómata). En algunos equipos existe la posi bilidad de introducir, bajo este modo o en el anterior de editor, un código de acceso al programa («password») que impide si es desconocido la lectura y/o modificación del mismo. En el modo monitor se permite el acceso a las variables, presentadas den tro de sus bloques de programa o en listados independientes de aquél, para visualización, modificación y forzado. Para los valores de temporizadores y contadores, las modificaciones afectan a los valores de preselección de pro grama (tiempo a temporizar o módulo
Mudo de tlicif’násiico r depuración Je emires: • com probación de funciona miento, aulotest, • lectura e identificación del có digo de error generado, • gestión del procedimiento de depuración.
1 ' el modo de configuración se deni. en general, los entornos de tra je! programador y del autómata. \st. se define el modelo de autómata que va a trabajar el equipo, de cn. ns varios que soporta (siempre del t • o fabricante) y la configuración ; de este (tamaño memoria, mapa I 'O, definición de entradas de con• R U N / S T O P / R E S E T , de captura -s j .i «catch input», conexión o no en j hases de tiempos predefinidas, et-,-«cra). También se establecen las prcléren- de trabajo sobre el editor: selec• • del lenguaje de programación, uso .. instrucciones especiales o de ma^\‘.nstrucciones, etc., y las configura ra -es del hardware utilizado: impre
'-'3
de cuenta), y no a los valores actuales contenidos en el elemento. La modi ficación. además, se realiza sobre va lores dinámicos almacenados en R A M , válidos mientras no se anule la orden de reglaje, en cuyo caso el autómata vuelve a aplicar los valores programa dos durante la edición. Esta opción per mite reglar o ajustar a valores óptimos en un proceso rápido que no implica la reprogramación de las memorias, hasta alcanzar el funcionamiento pre visto de la aplicación. Si entonces in teresa, se modifican de una sola vez sobre el programa todos los parámetros de tiempo y conlaje. El forzado, o preselección de una va riable binaria a 0/1 facilita la puesta a punto y el mantenimiento de la apli cación, puesto que permite observar el efecto individualizado que presenta so bre el programa la activación de cada variable. Por último, bajo el modo de diag nóstico el programador puede compro bar el huen funcionamiento del equipo que está utilizando (interfaces de te clado y pantalla, canales de comuni-
13.11 Modos de trabajo del terminal PG-615 de Siemens.
* ESTADO BASICO 1 • - C D 2 • 3 • A • *- G > ELEGIR MODO
CD
i r ■
II
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i r • 11
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* ESTADO BASICO 5 . 6 • 7 • 8 • * ELEG IR MODO
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■1 r -
ii
•e n t r a d a
♦SALIDA
• COMPARAR
•TRANSFERIR
•BORRADO
' ENTRADA pg 2 e n tra o a pg 3e n tra d a m. MEM
1 PG 2 AG-PG 3 M MEM-PG /< 1MPRES
1 PG~AG 2 PG-MMEM 3AG-MMEM
1P G - A G 2 AG -PG 3 PG -M M EM A M M EM -PG
1MODULO en AG 2 MÓDULO en M M EM 3 BORRADO M M EM
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I__________II_______
II
J I____
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-
Ajuste previo
E stado ®
básico
ELEG IR MODO
CU
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FUNC E S P E C
•INFORMAR
• TEST
•AUTO TEST
1STARTAG 2 STOP-AG 3 COMp-AG A A JU S T E PREVIO
I DIR AG 2USTACK 3BSTACK A ESPACIO MEM AG
1STATUS VAR 2 STATUS 3MANDO VAR AMANDO
1 TEST EPROM 2 TEST DISPLAY 3 TE5T TECLADÍ A TEST IN M M 5 TEST INIM PR
♦TRANSFERIR
♦FUNC ESPEC
5 AG-*M MEM 6M MEM-AG
5MODULIDENT 6 DATOSFIRMWARE |
--T-T ~ .
Grupo de funciones
♦
♦
E L E [G J R _ M O l D O _ _ J [_
Elegir ♦unción
Tensión
* ESTADO BASICO 0 •
_____ I I____
♦INFORMAR ♦T EST 5 PARSIS 5IN T E L 6 SALIDA AG 6 F IN IN T EL DIR ( 7 DIR M MEM E l e g i r función
31
7 - - r c_
Operación
259
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X
Modo n.m = 0.1.
8
aición. etc.), y del autómata y su pe riferia. Si se detecta algún problema, bajo este modo el programador es guia do de forma rápida según los proce dimientos de depuración previstos por el fabricante. Las funciones anteriores se encuen tran casi universalmente en los equipos de programación más completos, ter minales y entornos software para l’C, aunque muchas de ellas están lucra del alcance de las consolas más sencillas, que se conforman con modos simpli ficados de edición/programación y monilorización, además de funciones ele mentales de chequeo y verificación del programa. La figura 13.11 muestra el árbol de modos de un terminal de media com plejidad, el PG-615 de Siemens, que permite la realización, comprobación, archivo y salida por impresora de pro gramas de usuario en lenguaje S T E P 5 de lista de instrucciones para autóma tas S1 M A T IC S5 de la misma marca [2], Como muestra la figura, desde el es tado básico tras la puesta en tensión y los ajustes de configuración, las teclas numéricas permiten elegir el modo de trabajo entre los nueve disponibles, que agrupados según la clasificación intro ducida anteriormente quedarían orde nados como: - M O D O C O N F IG U R A C IÓ N Ajustes previos En funciones especiales, la 4, ajus te previo M O D O E D IT O R Entrada Borrado - M O D O D E T R A N S F E R E N C IA S Salida Comparar Transferir M O D O M O N IT O R Funciones especiales Test - M O D O D IA G N Ó S T IC O Informar Aulotest.
13.4. U N ID A D E S D E D IÁ L O G O Y TEST Las unidades de test son pequeñas consolas conectables directamente al puerto de programación del autómata
Figura 13./2. Microautómata unido a una unidad de diálogo y test. (o a algún otro puerto auxiliar), que permiten acceder a sus variables inter nas para monitorización, forzado o cam bio de preselecciones. En ningún caso estas unidades per miten modificar programas, función que queda reservada a los equipos de programación anteriores. Pequeños equipos de bajo coste, su ligereza mecánica no las hace aconse jables para aplicaciones permanentes a pie de máquina, siendo su empleo prin cipal el ajuste y comprobación de va riables y estados durante la puesta en marcha (figura 13.12). Los ajustes numéricos y cambios de preselecciones realizados son activos sobre memoria del A P I (RAM+bateria, E E P R O M ). desde donde son recogidos y procesados por la C P U durante la eje cución, en un proceso dinámico que permite al usuario modificarlos conti nuamente sin necesidad de detener la aplicación y reeditar el programa. Estos valores dinámicos, que como se ha dicho son modificables desde el exterior con una de estas unidades u otro equipo de programación o explo tación. pueden también ser modifica dos por el propio autómata (mediante
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una instrucción de escritura en rce tro) como resultado de alguna coac ción cumplida durante la ejecución -J programa, lo que confiere al procesi capacidad de modificar valores segv su evolución, por ejemplo tiempos .. ajuste o preselecciones de contador. La activación de valores de ajuste significa la pérdida de los valores p
Los límites entre estas pequeñas uni: les de diálogo v test y los terminales se explotación que se introducen en un . irtado posterior no están perfecta* :nte dcllnidos. y asi, algunos mo. >s permiten visualizar mensajes corpregrabados o dispuestos por el ..rio. que sirven tanto de guia para ■perador cuando manipula variables i ernas. como de indicación de esta * en la planta. sm embargo, y aunque funcionaltc puedan existir similitudes, de - considerarse las unidades de diá. como elementos de ayuda en la •la a punto de la aplicación, mien to- que los visualizadores y terminales . se verán a continuación son ya claente equipos de explotación, y . tales se utilizan sobre la insta* k nón. 13.5. V IS U A L IZ A D O R E S < FA N U M ÉR1C O S i ■rs visualizadores numéricos y alI uméricos son los componentes ¡n. -tríales más sencillos disponibles •establecer el diálogo entre el oper y la máquina, fuera de los indi . : res luminosos incandescentes o lu- mscentes. Bajo este punto de vista, p .eden considerarse como terminales c explotación elementales que abren ■debajo la gama de un fabricante. Destinados a formar parte perma*:nte del equipamiento de la instala n (a diferencia de las unidades de : .dogo y test anteriores), son de cons-cción compacta y destacan por su Centalla iluminada de dos o más lineas, dependientes o combinables entre si ; ira obtener tipos de letra escalables. a vez en marcha, la pantalla visua. mensajes predefinidos por el usua. con textos, símbolos, etc., en res.esta a acontecimientos de planta. En .rneral, el mensaje visualizado permite mbinar el texto explicativo con datos ■nubles de autómata: estados de relés, egistros, temporizadores y contadores, mejorando la información presentada. Durante la programación, desde un ¡*C de uso general y utilizando el soft ware proporcionado por el fabricante, í usuario define y transfiere a me moria del visualizador los mensajes entre 100 y 1000) que desea ver apa recer y las condiciones de visualización
de los mismos. Por ejemplo, una parle del programa podría ordenar mostrar el mensaje «Error en Sensorl» si con la salida Q20 en O E F se activa simultá ricamente la entrada 112 Los mensajes aparecen por selección obtenida según la combinación de es tados binarios U N O o C E R O leída so bre salidas del autómata en conexión paralelo o serie, o por consulta de va riables internas que han sido leídas por algún puerto de comunicación (gene ralmente, el puerto de consola de pro gramación). Igual que ocurre con el resto de equipos de explotación y ser vicio de autómatas, esta ultima forma presenta las ventajas de no consumir entradas/salidas de autómata ni nece sitar de programación adicional en él. y el inconveniente de obligar al fabri cante del visualizador a conocer el pro tocolo de comunicación del autómata a conectar, no siempre disponible. Ob sérvese que este inconveniente desa parece cuando es el propio fabricante del autómata quien oferta el visuali zador. Los modelos más completos de vi sualizadores, casi terminales interacti
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vos con la planta, permiten definir ope raciones sobre variables de autómata o propias, comunicarse con una impre sora para listado de eventos, programar secuencias de trabajo o configurar re des de interconexión que comparten datos de distintos autómatas (figura 13.13).
13.6. T E R M IN A L E S D E E X P L O T A C IÓ N Un terminal de explotación es un pe riférico industrial inteligente basado en un sistema microprocesador autónomo capaz de comunicarse con un autómata programable para — visualizar, y — forzar el estado de sus variables internas o de entrada/salida, en forma — automática, por consulta de esta dos de variables de autóm ata (como lo hacen los aparatos vi sualizadores) o del propio termi nal. o
— impuesta, en respuesta a una or den dada por el personal de ex plotación sobre una tecla funcio nal prcconligurablc. comunicando de esta forma al usuario con la planta para monitorización y control. E l terminal de explotación surge como respuesta a una doble necesidad: por un lado, la de dotar al usuario de una interfaz amable con el pro ceso, que no se limite a la simple observación y mando de las va riables del autómata desde el equipo de programación trabajan do bajo modo monitor, o desde un terminal de diálogo/test, — por otro lado, la de limitar el ac ceso del personal de explotación a unas pocas variables, las nece sarias para control del proceso, de forma que no puedan forzarse se cuencias indeseadas desde algún equipo de programación dedicado a la explotación. Asi, el terminal dispone para el ope rador de (figura 13.14): — display o pantalla fluorescente o luminiscente para impresión de textos (dos o más lineas, 20/40 ca racteres/línea), o gráficos mono cromos o en color, teclado de membrana con teclas numéricas y funcionales, estas úl timas normalmente configurables, recursos de programación especí ficos, diferenciados de los del au tómata: •
• •
• •
órdenes de mando (visualizadon de textos y variables, con trol de pantalla, impresión, et cétera.) instrucciones aritméticas y ló gicas, en coma fija o flotante, instrucciones de control de se cuencia (saltos, subrutinas, ac ceso a disco, etc.), variables internas de bit y de palabra (registros), temporizadores y contadores.
— puertos adicionales de comuni cación serie, configurables por el usuario en cuanto a formato fisico (RS-232/422/485, T T L , bucle de corriente, etc.) y lógico (número de bits de datos, paridad, baud rate, etc.), — puerto paralelo para conexión con impresora, — m em o ria de datos protegida (R A M + batería, E P R O M o bien E E P R O M ), — reloj en tiempo real, etc. Algunos terminales de gama alta in corporan pantallas táctiles que permi ten definir zonas sensibles para cambio de secuencia o variable, sustituyendo todas o parte de las teclas funcionales (figura 13.15), y, según modelos, inter faces de entrada/salida a la planta di gitales y analógicas, que amplían las po sibilidades de interconexión sin nece sidad de incrementar el tamaño del au tómata. Debe recordarse, sin embargo, que
Figura 13.15. Terminales de pantalla táctil.
También pueden incorporar otros re cursos hardware adicionales que com plementan los disponibles sobre el au tómata:
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la misión fundamental del terminal e>l la visualizadón y toma de datos y I forzado de las secuencias de mando, siendo aconsejable, por razones de s_ guridad, depositar sobre él el contí" I directo de las operaciones de planta Asi definidos los terminales resulta óptimos para establecer mandos lie'» bles, adaptativos y altamente ergon ■ micos sobre procesos o plantas. Para ello, y una vez programado, a terminal debe poder comunicarse co ^ j tinuamente con el usuario de expi I tación por un lado, y con el autóma I por el otro. El terminal se comunica con el usu.- ] rio mediante la presentación de me- | sajes en la pantalla, bajo el formato g neral: (Texto de Mensaje| (Valor de van.ble] en operaciones de monitorización. « |Texto de Mensaje] |n..n (valor traducido desde teclado)]
IQ U lP O i 01 PBOOBAMACIÓN Y SlftVtCtO I O I AW
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rísticas diferenciadas, como ya se ha introducido anteriormente. Asi, la pri mera opción:
* operaciones de forzado de variable -inaria o cambio de variable numérica. Ejemplo, en operación de monito.ición:
•
N Ú M E R O D E P IE Z A S PRO D U1DAS: (valor leído en un contador)
• •
La presencia de teclas funcionales írmite al terminal visualizar diferentes mensajes y/o forzar diferentes varia * :s. según la tecla accionada bajo con * ’! del operador, que se relaciona asi un el proceso de forma interactiva. El terminal se comunica conlinua-ente con el autómata para intercam- r los valores de variables deseados, •n conexión:
Una vez conectado, el te-minal eje cuta una u otra acción en función de las señales leídas en el autómata u ór denes mandadas desde el teclado. Como se ha indicado anteriormente, estas acciones pueden ser:
no consume punios E/S del au tómata, no necesita programación adicio nal en el autómata, el terminal necesita conocer el protocolo de comunicación del autómata por su puerto de pro gramación (formulo de trama, có digos de variables, caracteres de control).
— salida de mensajes por el display, — modificación de valores de varia bles del autómata. Adicionalmente, el terminal puede: ejecutar acciones encadenadas asociadas a teclas de función, — ejecutar programas de aplicación (operaciones entre variables) so bre C P U del propio terminal, pre feriblemente dedicados a opera ciones de estadística y gestión, y no a control directo de planta, enviar datos a impresora (opcio nal) para listados de informes. — establecer redes locales entre dis-
mientras que la segunda: • •
a través del puerto o entrada del equipo de programación, la más frecuente, - a través de E/S estándar. \mbas opciones presentan caracte
puede utilizarse con cualquier au tómata, deja libre la entrada de progra mación del autómata, imprescin dible si se desea su conexión con otros equipos y sólo se dispone de un puerto de comunicación general.
cura 13. i6. Posibles conexiones con terminales de explotación.
TERM IN A L OE EXPLOTACION
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Terminal -Autómata Punto a Punto (Ordenador opcional)
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Red de A u tó m a ta s con Terminal
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Red de Autóm atas - Terminales
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tintos aparatos pura intercambio de datos entre ellos, etc Todas las acciones que realiza un terminal, tanto los mensajes como las aplicaciones, son programadas con el editor de programas del terminal pro porcionado por su l'abricante. bien des de un ordenador PC. bien desde el pro pio terminal, si éste dispone de teclado y pantalla adecuados para la edición. Con un software adecuado compa tible corriendo sobre un ordenador, el terminal se coloca en un escalón in termedio del sistema de monilorización y mando de proceso, accesible por el operador a pie de máquina. Esta es tructura permite depositar sobre el ter minal el contra! interactivo que exige una producción flexible .; mientras el orde
nador. en un escalón superior, se limita a supervisar el proceso (leyendo varia bles de terminal) para recoger históri cos de la evolución del mismo, alma cenar y actualizar sobre terminal-au tómata recelas o menús de fabricación aprovechando su mayor capacidad de memoria, desarrollar aplicaciones es tándar sobre los datos (por ejemplo, hojas de cálculo), y comunicar la planta con los niveles superiores de gestión mediante redes oflmáticas estándar [3], La figura 13.16 muestra algunas es tructuras de conexión con terminales, en concreto las variantes a) Ordenador (opcional)-terminalautómata. Para mando local del autómata y gestión/control a dis tancia de la planta.
Figura \}.17. Fstruc tura de un terminaI gráfico.
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/>) Red de autómatas con termina Para mando local de la red e ir I tcrcambio de datos entre aut matas.
mala a variables ¡nlernas de terminal. Intercambiando de forma adecuada es tas variables entre si o con el ordenador a través de la red, se puede organizar el Irá Ileo de datos entre los distintos autómatas.
13.6.1. Terminales gráficos Conceptualmente idénticos a los an teriores, los terminales gráficos cons tituyen una subdivisión de los termi nales de explotación, que permiten al usuario editar líneas y .figuras, situarlas sohre una pantalla de medio o gran ta maño. y animarlas después con ayuda de tablas de configuración (plantillas) secuencias cortas de programa (en alto nivel) que las enlazan con los obletos de una base de datos alimentada con variables de autómata o terminal. Los objetos de la base, que pueden ser asociados a los elementos gráficos conforme éstos se van generando o ser editados por separado, serán textos o sanables en su forma más simple, o combinaciones de éstos mediante ope raciones lógicas y aritméticas en las más elaboradas. Muchas veces con funcionamiento multitarea y multiproceso para asegurar mágenes casi instantáneas de la apli cación, estos terminales ejecutan las si guientes tareas (figura 13.17): - comunicación con el autómata o red de autómatas, - almacenamiento de datos, - gestión de unidad aritmética con cálculo en coma flotante, - gestión de los gráficos. - gestión de alarmas, - generación de informes y gestión de impresión. - atención a la interfaz de usuario. Las herramientas software necesarias cara el desarrollo con un terminal grá'co, que pueden estar incorporadas al propio terminal o correr sobre un PC de uso general que vuelca después los programas generados sobre él, son las siguientes: editor gráfico, que genera fondos, figuras y ventanas de visualización de textos y variables, - editor de animación, que asocia los visualizadores y elementos
gráficos anteriores a las variables de control. Los primeros incluyen las funciones usuales en editores gráficos generales: edición en color, uso de símbolos predefinidos (cir cuios. paralelogramos, ele.), — definición de barras gráficas (al tura. amplitud, color, etc.), definición de ejes de coordenadas, escalado de imágenes, etc. importación de figuras desde otros formatos gráficos, — almacenamiento y recuperación de pantallas. Por su parte, los editores de ani mación permiten gestionar el entorno gráfico definido: — asignación de variables a pantallas y símbolos, — presentación/ocultación de sím bolos según resultados de opera ción, — presentación de valores variables en distintos formatos. — cambios de color, tamaño y for mas sobre la pantalla, — rellenado de áreas en color, — generación de históricos y de cur vas de tendencia, — representación de variables ana lógicas (numéricas) sobre ejes, — introducción de textos sobre fon dos gráficos, etc. Las pantallas generadas no son úni cas, sino que de forma dinámica puede cambiarse el fondo del dibujo, los ele mentos y símbolos que aparecen en él y las variables asociadas según la evo lución del programa en la planta, con figurando así terminales activos que modifican el aspecto de su presenta ción según las circunstancias del con trol. Los editores anteriores permiten también definir sobre la pantalla di versas zonas sensibles al ratón o al tac to (pantallas táctiles), o accesibles me diante cursores de teclado, lo que per mite eliminar componentes como pul sadores e interruptores (figura 13.18). Este ahorro, junto con el de indi cadores y visualizadores, más el hard ware eliminado en el autómata (inter faces de entrada/salida) por la coniu-
mi
■
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Figura 13.111. Distintos terminales gráficos. nicación serie con él, hacen del ter minal gráfico una buena alternativa ul panel clásico de control, con sus pul sadores. interruptores y visualizadores independientes. Además, como ventaja añadida y no pequeña, está la posibilidad de desa rrollar, aprovechando las instrucciones definidas sobre el terminal, verdaderas aplicaciones sobre planta (programas de control, poco aconsejables), o sobre terminal (estadística, gestión, docu mentación), por interrelación de varia bles de una y otro. Un terminal asi constituye una po tente herramienta que agiliza la com prensión del sistema, dinamiza el diag nóstico y flexibiliza el control que los operadores y técnicos ejercen sobre el sistema.
13.6.2. Ejemplo de programa con terminal Como ejemplo de programación de terminales, se muestra a continuación
AUTÓM ATAS H tO O R A M A BLSS
E je m p lo d e P r o g r a m a c o n e l
T e r m in a l
d e O p e r a d o r M<í»m
008
E l p ro g ra m a m u e s t r a c o n t in u a m e n te tr o * - v a r i a b l e s d e o u T o m a ta * T IH 0 * T1H 1 • CNT Cl y p e r m ite m o d if ic a r c l v a lo r d e p r e s e le c c io n c o r r e s p o n d ie n te e n c u a l q u i e r momento 009
•
P A R TE 1 •
11 RG*255 RG=1
--
COMENTARIO ........................
fl
[T E C LA DE CONDICION E JE C U T A
RG=2S5 RG-2
FUNCION 2) ....................... ........................*
COMENTARIO ........................
en l a p r i m e r a p a r t e d e l p ro g ra m a se v is u a liz a e l v a lo r de la s v a r ia b le s , acom p añ ad o d e un t e x t o i d e n t i f i c a d o r d e c a d a una de e l l a s : *
(T E C LA DE FUNCION CONOICION . E JE C U T A
E n tra d a
F2
OTO (T E C LA DE FUNCION 3) CONDICION ....................... E JE C U T A ••>
a C ru p u
l
E n tr a d a a G ru p o 2
RG=255 RG-3
TMP Os
* thp ^2= * CNT_0= NOTA:
o b s é rve s e la c o d if ic a c ió n 1 :x x p ara v a r ia b le s de a u tó m a ta en e l p ro g ra m a , c o n fig u r a c ió n do s a lid a del t e r m in a l a u tó m a t a s , c o n e x ió n c o n a u tó m a ta T d e l a
n o m b ra r la s s u p u e s t a una pa< a r e d d é re d
011
COMENTARIO .......................
F3
(BORRA P AN T ALLA) ....................... CONDICION DESD E P O S IC IO N . . . HASTA P O S IC IO N . COMENTARIO .......................
RG<>255 0 40 L im p ia P a n t a l l a
E n t r a d a a G ru p o S
'PROGRAMA TERMT» 001
002
003
[V IS U A L IZ A TEXTO) CONDICION ........................ S I CONDICION V A L ID A , V IS U A L IZ A TEXTO EN CASO CO NTRARIO , V IS U A L IZ A TEXTO P O S IC IO N ........................ COMENTARIO .......................
RG=255 P TERMl
•
NOTA:
20 T e m p o r ija d o r
[V IS U A L IZ A CONDICION
RG=255
CO NOICION V A L ID A , V IS U A L IZ A TEXTO EN CASO CO NTRARIO, V IS U A L IZ A TEXTO P O S IC IO N ....................... COMENTARIO ........................
en l a t e r c e r a p a r t e d e ! p ro g r a m a , o p ro g ra m a c ió n de lo> G ru p o s, s e m o d if ic a n lo s v a lo r e s de p r e s e le c c ió n de una u o t r a v a r i a b l e , segú n e l g ru p o a c t iv a d o
0 E n c a b e z a m ie n to d e m e n s a je *
(V IS U A L IZ A TEXTO) CONDICION ....................... S I CONDICION V A L ID A , V IS U A L IZ A TEXTO EN CASO CO NTRARIO , V IS U A L IZ A TEXTO P O S IC IO N ........................ COMENTARIO ....................... TEXTO) ........................
(V IS U A L IZ A TEXTO) CONOICION ....................... S I CO NDICIO N V A L ID A , V IS U A L IZ A TEXTO EN CASO CONTRARIO, V IS U A L IZ A TEXTO P O S IC IO N ....................... COMENTARIO
005
COMENTARIO 006
........................
[V IS U A L IZ A VALO R] C O NDICIO N ........................ VALOR A MOSTRAR . . P O S IC IO N ....................... .......................
t V lS U A L IZ A VALOR) CONDICION ........................ VALOR A MOSTRAR . . P O S IC IO N ....................... COMENTARIO ...................
o b s é r v e s e como l a v a r i a b l e q u ed a m o d if ic a d a en el v a l o r d e p r e s e l e c c i o n e n e l a u tó m a t a , a l s e r d e r - t e e l r e g i s t r o d e s t i n o i n d ic a d o
RG=255 TMP_0= 012
013
T|M 0
[GRUPO . . . COMENTARIO
:
1) : V is u a liz a / M o d if ic a V a r ia b le
1.
VAR
i
[ENTRADA POR TECLADO) CO NDICIO N ........................ : S IE M P R E TEXTO IN I C IA L . . . : P R E S TMP 0= R E G IS T R O D E S T IN O . . : 1 :T P 0 VALOR M IN IM O . . . . t 1 VALOR MAXIMO . . . . : 99
SI
004
P A R TE 3 •
T M P Js
P O S I C I O N ........................... : 0
N* D IG 1 1 O S :
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OECIMAL 30 T e m p o r iz a d o r
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E JE C U T A R AL F IN . . . : RG=?S5 COMENTARIO ........................ : V a r i a b l e
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COMENTARIO 10 C o n t a d o r CNT 0
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RG=255 1 : TOO 26 N* D IG IT O S : 2 N» D E C IM A L E S : 0 V a l o r d e l T e m p o r iz a d o r TIM 0
: V is u a liz a / M o d if ic a
[ENTRADA POR TECLA001 CONDICION ........................ ; T EXTO IN I C I A L .. . * R E G IS T R O D E S T IN O . . : VALOR M IN IM O . . . . : VALOR MAXIMO . .. . ; P O S I C I O N ........................... : DECIM AL E JE C U T A R A l F IN . . . ; COMENTARIO ........................ :
S IE M P R E P R E S TMP 1* T : TPT ' 1 99 0 N*D IG IT O S : RG=255 V a r ia b le
V a ria b le
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2 :P r e s e l e c c i o n
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RG=255 1: TDT 36 N» D IG IT O S : 2 N» D E C IM A L E S : V a l o r d e l T e m p o ri2 a d o i T I M 1
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0
018 [GRUPO . . . : 31 007
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[V IS U A L IZ A VALO R) CONDICION ........................ VALOR A MOSTRAR . . P O S IC IO N ....................... COMENTARIO ........................
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COMENTARIO.... ......................
en e l s e g u n d o b lo q u e d e l p ro g ra m a se s e le c c io n o i a v a r ia b le a m o d ific a r . P a r a e l l o , s e a c t i v a c o n l a s t e c la - , de f u n c ió n F l , F2, F3 u n numtM o u o t r o d e G ru p o d o P ro g ra m a
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[ENTRADA POR TECLADO] CO NDICION . . . : TEXTO IN I C IA L . . . : R E G IS T R O D E S T IN O . . : VALOR M IN IM O . .. . : VALOR MAXIMO . . . . : P O S I C I O N ........................... : DECIMAL E JE C U T A R A l F IN .. . :
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cómo programar un IIT E R M de Mitor, terminal compacto con salida de textos, para mostrar continuamente en pan talla los valores de tres variables de au tómata, T1M 0, T1M 1 y C N T 0, con posibilidad de modificar el valor de preselección de ios elementos (tiempos > módulos de cuenta) en cualquier mo mento. Este terminal se programa desde PC por medio de fichas o plantillas de pro gramación, numeradas en el ejemplo de 001 a 023, cada una de las cuales empieza con una condición de ejecu ción de cumplimiento obligatorio para que se ejecuten las órdenes siguientes. Estas órdenes, que dependen del tipo de ficha, están prefijadas en una planlilla que el usuario parametriza para su iplicación. Las fichas utilizadas son: — «Tecla de función», que ejecuta una orden al pulsar alguna de las teclas funcionales del terminal. — «Borra pantalla», que limpia el visualizador llenando de caracte res 20H la memoria R A M de pan talla. — «Visualizar texto», que muestra a partir de una posición de la pan talla una serie de caracteres alfanuméricos. — «Visualizar valor», que muestra a partir de una posición de la pan talla un valor de variable interna o de autómata. — «Entrada por teclado», que per mite asignar un valor numérico tecleado a una variable interna o de autómata. Adicionalmente, in cluye una orden que se ejecuta una vez que el valor ha sido en trado. El programa está estructurado según es subrutinas (grupos), que se eje cutan según el valor asignado al Re gistro de Grupo, RG. Por defecto, y en
el arranque, el registro adquiere el va lor 255, que permite la ejecución inicial del programa raíz. Por claridad, se presenta el programa dividido en tres partes, con comenta rios aclaratorios en cada una de ellas.
13.7. R E S l M E N En una aplicación con autómata pro gramable el usuario actual (programa dor u operador) necesita comunicación con la máquina para programar y de purar el programa, para acceder a los estados de planta y para forzar secuen cias de mando sobre el sistema. Estas funciones son cubiertas por las unidades de programación y servicio de los A P I, equipos y entornos software inteligentes dedicados, con interfaces sencillas para el usuario, y con canales y protocolos de conexión con el au tómata ya resueltos. Con ellos, el usuario accede a las funciones que necesita (programación, depuración, visualización, forzado, etc.) de forma rápida y flexible, según pro cedimientos interactivos que facilitan la aplicación del autómata a cualquier proceso industrial. Un primer bloque de equipos lo constituyen las unidades de progra mación, diagnóstico y test, destinadas a facilitar la edición y 'puesta a punto de programas de autómata. Las unidades de programación son equipos físicos específicos o entornos software sobre PC que permiten la edi ción y depuración del programa utili zando sistemas operativos amables que no exigen del programador ser un ex perto informático. Las unidades de diagnóstico y test son herramientas manuales de puesta a punto en la planta, que permiten un fácil ajuste final sobre los programas antes editados y transferidos al autó mata.
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Otro gran bloque de equipos de ser vicio lo constituyen las unidades de ex plotación, desde sus formas más sim ples como visualizadores de baja fun cionalidad. hasta las más complejas de terminales gráficos interactivos. Los visualizadores permiten al au tómata presentar información ai usua rio en el lenguaje de éste, para una me jor comprensión de la evolución del proceso e identificación de anomalías. Los terminales de explotación son periféricos inteligentes del sistema de autómata, programables por el usuario para ejecutar acciones como control de secuencia, forzado de variables binarias (relés) de autómata, introducción de datos numéricos desde teclado y asig nación a variables numéricas de autó mata, realización de operaciones arit méticas entre variables, visualización de mensajes asociados a la evolución del programa, impresión de textos, in tercambio de datos con otros equipos, etcétera. Todos estos equipos facilitan la in terfaz del usuario con el autómata y la planta y le permiten un mayor control interactivo sobre la misma, sin nece sidad de conocer los lenguajes y equi pos de programación del autómata uti lizado.
13.8. R E F E R E N C IA S |l) C IM T F.L - Telemecanique. «Los Automatis mos Programables Integrados». 1992. |2| S IE M E N S . «Aparatos de Programación PC!-615 y PG-685» Cal ST-59. 1991 |3| Romeral, José L. «Curso de Especialización en Automatización Industrial». U P C X-0455, 1994 14) M IT O R M A T S .I.. Terrassa «M a n u a l IIT E R M » . 1993 |5| ID I'C IZ U M I, «Micro Programmablc Contro ller Micro3», User's Manual Cal, núm EM 289-0 Marzo. 1993 [6| O M RO N «Manual de Programación» SYSM A C Serie C. Cat. M PSC E 1-2. Febrero 1991 (7| A Ynur Cnm/muy Retith Tomnher'f The ('S e n e s Cat. Y50 E 1-2 Diciembre 1989
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14. CONCEPTOS GENERALES DE COMUNICACIONES DIGITALES 4.1. IN T R O D U C C IÓ N Lu creciente automatización de los -ocesos industriales no podría expli cóte de no ser por el constante au¡znlo de las prestaciones de los equi s denominados «inteligentes», basa . i en los microprocesadores. Hstos auipos, aparte de la ventaja esencial .: ser prograrnables, han ido aumen-mdo sus prestaciones en cuanto a eaTacidad de control, potencia de cálculo 'acilidad de interfaz con el proceso. Pero todo ello habria llegado a un lí—ite si, al mismo tiempo, no se hubiera _ ^arrollado la posibilidad de interco-..tarlos entre sí y con otros equipos n mayor potencia de cálculo, for- mdo sistemas con «inteligencia disnuida». En tales sistemas, algunos ocesadores de control se encargan de .-.dones específicas, situándose en los r- itos más próximos al proceso pero, • -a vez, se interconectan entre sí y con 'ras C P U dedicadas a diseño, gestión t :oordinación global de dicha planta ncepto C IM . véase la figura 14.1). En el momento actual todavía co. ■sien en muchas industrias lo que se . venido en llamar «islas automali.,(/«.?», es decir, varias partes auto - atizadas controladas por equipos ba jóos en microprocesador (//P), pero ..•■mpletamente independientes entre • La comunicación entre ellas, si bien técnicamente posible, no se lleva a ^ b o en algunos casos por la diversidad :e medios físicos y protocolos emplea o s y, en definitiva, por la falta de comr jlibilidad entre los códigos y los len guajes de cada una de estas partes. Lo deseable y la tendencia actual, es -alazar estas islas a través de sistemas :: comunicación que permitan el tras;se de dalos entre ellas y que sean lo .ricientemenle abiertos para poder en¡zar los autómatas prograrnables, con-oles numéricos, estaciones robotiza-
das, etc., con otros miniordenadores o «host» y a través de ellos poder acceder incluso a redes de comunicación de más altas prestaciones. Los problemas ocasionados por la di versidad de lenguajes y formas de ope rar de distintos automatismos basados en ;/P, se hacen evidentes cuando su número empieza a ser relativamente grande en una misma factoría. La pro gramación y el diálogo hombre-má quina con autómatas prograrnables, controles numéricos, robots, sistemas de C A D y de gestión y otros sistemas supuestamente inteligentes requiere el aprendizaje de lenguajes diversos y mé todos de operación peculiares para cada uno. Además, la imposibilidad de in tercambiar información entre ellos li mita enormemente las posibilidades del conjunto. En este capítulo y los siguientes da remos una visión general de los siste mas de comunicación en el entorno in dustrial, estudiando las redes más co munes y sus principios de funciona miento, tanto desde el punto de vista de hardware como de software. Nues tro propósito es el de dar una infor mación lo más completa posible sobre comunicaciones aplicadas a redes de área local (L A N ) en el entorno indus trial y, por tanto, no entraremos en de talles sobre los sistemas de comuni cación W A N (red de área amplia) a tra vés de redes públicas de datos. En concreto, este capítulo lo dedi caremos al estudio de las estructuras típicas de redes L A N y entraremos en algunos detalles en cuanto a los medios físicos: formas de codificación y trans misión de datos, niveles de tensión, tipo y forma de cableado, etc. En ca pítulos sucesivos se explicarán más es pecíficamente las redes autómata-peri féricos, autómata-autómata y autóma ta-ordenador, indicando algunos están dares de gran implantación industrial.
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14.2. V E N T A JA S D E L A S C O M U N IC A C IO N E S Según se ha indicado en la intro ducción, las prestaciones globales de una planta automatizada con autóma tas prograrnables y otros sistemas de control digitales, pueden verse enor memente aumentadas si se comunican con otros sistemas de captación y pre sentación de datos o incluso con or denadores de proceso y gestión. Las ventajas de enlazar todos estos siste mas, en lo que se ha denominado sis temas de fabricación integrados (C IM ), son esencialmente las siguientes: 1) Posibilidad de intercambio de in formación entre automatismos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso global, 2) Facilidad de comunicación hom bre-máquina, a base de termina les inteligentes que permiten pro gramar u observar el proceso en términos de lenguaje muy pró ximo al humano. El sistema ad mite la observación y la interven ción del operador humano en for ma interactiva a través de un ter minal de teclado y pantalla que sustituye al ya obsoleto sinóptico. J ) Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas a control de calidad, gestión, estadística u otros pro pósitos. 4) Facilidad de cambios para adap tarse a la evolución y a la diver sificación de los productos. Como ejemplo típico basta pensar en la industria del automóvil, sometida a una continua evolución de mo delos y variantes. La facilidad de cambios permite la creación de las denominadas «células flexi bles». 5) Posibilidad de lenguajes de alto
que la existencia de tales m im u . no solucionará inmediatamen'.. los problemas de las islas au'. matizadas ya existentes. Nos ■.| mos obligados pues, en un fute I próximo a convivir con sistem i con distintos lenguajes y pro i coios y como solución sólo -d pueden proponer las interfaces comunicaciones denominadas bítualmenle «pasarelas».
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14.3. A L G U N A S D EFIN IC IO N E S R E L A T IV A S A C O M U N IC A C IO N )
G E S T IO N D E PLA N TA
En este apartado daremos las niciones de algunos términos bas comúnmente empleados en las nuinicaeiones digitales. No se prei-, < aqui dar las definiciones de tod< conceptos que intervienen en un» de comunicación, sino más bien blecer un vocabulario básico que permita tratar con propiedad el tcr—_ lo largo del capitulo.
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G E S T IO N D E C É L U L A S DE L P R O D U C C IÓ N H p p
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Finura 14.1. Estructura Je una red industrial (cortesía de Klñckner Móeller). nivel, que permitan tratar bajo un mismo entorno todas y cada una de las islas automatizadas, desde la fase de diseño (C A D / C A E ) hasta la fase de explotación y ges tión (C A M ). La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de co municación potente y flexible a la vez y que permita integrar en él a produc tos de cualquier fabricante, cuya es tructura resultante es la representada en la figura 14.1. Naturalmente, llevar a la práctica un sistema de comunicación integrado, como el descrito anteriormente, entra ña también algunas dificultades que re sumimos en los siguientes puntos: ti) La comunicación supone una ma yor com plejidad técnica. Esta complejidad puede y debe pasar
desapercibida al usuario, cuyo in teres no se centra en los aspectos tecnológicos sino en los de apli cación. Esto requerirá potenciar enormemente el software de so porte al usuario, para que éste pueda dialogar con el sistema sin ser un experto en comunicacio nes (niveles 5, 6 y 7 del modelo O SI, ver el apartado 14.4). b) Resulta difícil unificar un sistema que integre productos muy di versos de varios fabricantes, con distintas funciones, lenguajes y prestaciones. La solución de esta d ific u lta d sólo la puede dar una norma aceptada por todos. Tal norma de aceptación general no existe. Hay varias adaptadas a distintos campos y niveles de complejidad, cada una con sus ventajas e inconvenientes. Ade más debemos ser conscientes de
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IN F O R M A C IÓ N D IG IT A L : I» mación de diversa índole (núrc-. texto, imágenes, voz, etc.) codifti por medio de palabras formadas unos y ceros. La longitud de la pa y la interpretación de su significad > pende del código empleado. C O M U N IC A C IÓ N D IG IT A L : Se nomina comunicación digital a 1.: nica que permite el intercambio d: formación digital entre dos o ma ternas. generalmente basados er croprocesadores. C Ó D IG O : Regla o convenio qu¿ mite interpretar una información tal. El elemento básico de un códig el carácter, que consiste en una p digital de n bits. Los códigos pus ser numéricos (véase el anexo II fanumcricos. Los primeros interr la información digital como núr generalmente en sistema binan» B C D , mientras que los códigos numéricos permiten representar! racteres alfabéticos, numéricos fleos mediante palabras digitales, i digo alfanumérico más conocido picado es el A S C II, que codifica formación alfanumérica en caras de 8 bits (véase anexo III). Téng
cuenta, sin embargo, que la interpre tación de caracteres o secuencias de ca racteres A S C II por diferentes máquinas puede ser distinto. Para establecer un paralelismo podríamos decir que el có digo permite definir un alfabeto, pero no implica necesariamente comprender un idioma. I).4 IO S f CONTROL - El enluce en tre dos sistemas digitales requiere, en general, intercambiar dos tipos de in formaciones: a) Datos: Información útil que se pretende intercambiar entre am bos sistemas. Por ejemplo, datos numéricos o texto. b) Control: Inform ación adicional necesaria para facilitar la comu nicación y/o la interpretación de los mensajes. El control puede ejercerse por el hardware, por el software o habitualmente por un sistema mixto.
Los caracteres de datos y los de con trol suelen utilizar el mismo código, ror lo que la interpretación de una in-rmación como una u otra cosa deende esencialmente del software. Para poner un símil, supongamos el .aso de enviar una carta por correo, rara hacer llegar una información a un reterminado destinatario. Ademas del ■exto, debemos poner un sobre con su nombre y dirección. Esta última infor mación no interesa propiamente al desnaturio, pero es imprescindible para jüe llegue el mensaje. Si además el mensaje estuviera escrito en clave, de beríamos enviar al destinatario inslruc. ones de qué clave hemos utilizado ara que éste fuese capaz de interpre tarlo. Tanto la información del sobre .
onda portadora modulada en frecuen cia para transmitir la información, por lo que se le llama genéricamente M O D EM (MOdulador-DE Modulador). M O D U LA C IÓ N Y D EM O D U LA CIÓ N: La modulación y demodulación son técnicas empleadas en comunica ciones para transmitir señales analógi cas o digitales a distancia, ya sea via radio o a través de cables o fibra óptica. La modulación consiste en tomar una señal de alta frecuencia (/;,), de nominada portadora y variar alguna de sus características (amplitud, frecuencia o fuse) en función de otra señal, lla mada moduladora, de frecuencia (/,„), más baja y que generalmente contiene la información a transmitir. El resul tado es una señal modulada cuyo es pectro de frecuencias está comprendido entre Y /,,+L- La demodulación consiste en el proceso inverso, es decir, recuperar la señal moduladora a partir de la señal modulada. Las técnicas de modulación y de modulación permiten transmitir por un mismo medio varias señales; como ejemplo más típico y conocido tenemos la comunicación radiofónica o de te levisión, que permite recibir las señales de varias emisoras por la misma antena y luego seleccionar sólo una a base de sintonizar la recepción a una deter minada frecuencia. En el caso de comunicaciones digi tales, que nos ocupa aqui, la señal mo duladora suele ser una onda cuadrada (niveles 1 y 0 ) y la portadora es una señal senoidal de una frecuencia fija, /,,. La modulación más simple empleada suele ser la de frecuencia, es decir, se
hace variar la frecuencia de la port. dora en función del nivel lógico de moduladora, obteniéndose dos tonos distintos para los niveles lógicos 0 y I Existen otros tipos de modulación combinados de amplitud, frecuencia y lase, que permiten que una sola señal portadora transmita más de una señal, permitiendo un mejor aprovechamien to del ancho de banda de los canales de comunicación LÍN EA D E C O M U N IC A C IÓ N : Este término se emplea, en general, para de signar el metilo físico de enlace entre dos terminales. Dicho enlace puede es tablecerse, sin embargo, a través de va rios cables, fibras ópticas o estaciones de radio, conectados entre sí por medio de centrales conmutadas (tal es el caso, por ejemplo, de transmisión de datos por via telefónica). R U S: Conjunto de conductores com partidos por dos o más sistemas digi tales (en general, próximos). La co municación a través de un bus implica que sólo uno de los terminales conec tados podrá enviar datos en un instante determinado. No existe limitación en cuanto al número de terminales que reciben la información. C O M U N IC A C IO N ES P A R A L EL O 1 S E R IE : La comunicación paralelo uti liza varias líneas de datos (general mente tantas como bits tenga el código empleado, una por bit), otras líneas de control y una línea de cero o común, para el enlace entre dos o más sistemas digitales. Las señales esenciales suelen ser ocho lineas de datos y, al menos.
Finura 14.2. Modulación en frecuencia de tenates dinilales,
T ER M IN A L D E DATOS (D T E ): Equi: i que dispone al menos de un canal rara transmitir y/o recibir información iigilaL En lo que sigue le llamaremos 5 mplemente terminal o D T E. T ER M IN A L D E C O M U N IC A C IO NES (D C 'E): Equipo previsto para trans mitir y recibir información digital a dis éñela, generalmente por vía telefónica vía radio. El D C E suele utilizar una
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que la existencia de tales normas no solucionará inmediatamente los problemas de las islas auto matizadas ya existentes. Nos ve mos obligados pues, en un futuro próximo a convivir con sistemas con distintos lenguajes y proto colos y como solución sólo se pueden proponer las interfaces de comunicaciones denominadas habit ualmentc «pasarelas».
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En este apartado daremos las defi niciones de algunos términos básicos, comúnmente empleados en las co municaciones digitales. No se pretende aquí dar las definiciones de todos los conceptos que intervienen en una red de comunicación, sino más bien esta blecer un vocabulario básico que nos permita tratar con propiedad el tema a lo largo del capitulo.
D IS E Ñ O Y PRODUCCIÓN I
G EST IO N DE C É L U L A S D EI PRO D UCCIÓ N
CONTROL IN D IV ID U A L DE M Á Q U IN A S ! SEÑ A LES D E CAM PO
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Figura 14.1. Estructura de una red industrial (enrtesia de Klockner MSeller). nivel, que permitan tratar bajo un mismo entorno todas y cada una de las islas automatizadas, desde la fase de diseño (C A D / C A E ) hasta la fase de explotación y ges tión (C A M ). La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de co municación potente y flexible a la vez y que permita integrar en él a produc tos de cualquier fabricante, cuya es tructura resultante es la representada en la figura 14.1. Naturalmente, llevar a la práctica un sistema de comunicación integrado, como el descrito anteriormente, entra ña también algunas dificultades que re sumimos en los siguientes puntos: ti) La comunicación supone una ma yor com plejidad técnica. Esta complejidad puede y debe pasar
desapercibida al usuario, cuyo in terés no se centra en los aspectos tecnológicos sino en los de apli cación. Esto requerirá potenciar enormemente el software de so porte al usuario, para que éste pueda dialogar con el sistema sin ser un experto en comunicacio nes (niveles 5. 6 y 7 del modelo OS1, ver el apartado 14.4). />) Resulta difícil unificar un sistema que integre productos muy di versos de varios fabricantes, con distintas funciones, lenguajes y prestaciones. La solución de esta d ific u lta d sólo la puede dar una norma aceptada por todos. Tal norma de aceptación general no existe. Hay varias adaptadas a distintos campos y niveles de complejidad, cada una con sus ventajas e inconvenientes. Ade más debemos ser conscientes de
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IN F O R M A C IÓ N D IG IT A L : In fo r mación de diversa índole (números, texto, imágenes, voz, etc.) codificada por medio de palabras formadas por unos y ceros. La longitud de la palabra y la interpretación de su significado de pende del código empleado. C O M U N IC A C IÓ N D IG IT A L : Se de nomina comunicación digital a la téc nica que permite el intercambio de in formación digital entre dos o más sis temas, generalmente basados en mi croprocesadores. C Ó D IG O : Regla o convenio que per mite interpretar una información digi tal. El elemento básico de un código es el carácter, que consiste en una palabra digital de ii bits. Los códigos pueden ser numéricos (véase el anexo II) o alfanumcricos. Los primeros interpretan la información digital como números, generalmente en sistema binario o B C D , mientras que los códigos alfanuméricos permiten representar los ca racteres alfabéticos, numéricos y grá ficos mediante palabras digitales. E l có digo alfanumérico más conocido y em pleado es el A S C II, que codifica la in formación alfanumérica en caracteres de 8 hits (véase anexo III). Téngase en
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Estructura física
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Señales básicas de diálogo
Figura 14..}. Bus paralelo. dos líneas de control, denominadas ge neralmente Strobe (S T B ) y Acknowledge (A C K ). La comunicación serie, en cambio, suele utilizar dos o tres hilos. La in formación se transmite bit a bit, uno tras otro hasta completar un carácter. La separación entre tos caracteres, que se envían consecutivamente, se consi gue gracias a unos bits especiales de Start y Stop o por medio de un reloj de sincronismo, como se verá luego. Lógicamente, la comunicación serie es óptima desde el punto de vista del consumo de cables y, por ello, se suele
emplear para enlaces más lejanos que la comunicación paralelo. En contra partida la comunicación serie es más lenta que la paralelo.
E N L A C E S IM P L E : Comunicación entre dos terminales, que permite sólo llujo de datos en un sentido (de trans misor a receptor).
C O N EX IÓ N PU N TO A PU N TO : C o nexión en la que intervienen sólo dos terminales o sistemas digitales, uno a cada extremo de la línea de comuni cación.
E N L A C E H A L E D Ú P L E X : Común cación entre dos terminales, que pemite flujo de datos en ambos sentic' w pero no simultáneamente, utilizare* los mismos cables o medio físico
C O N EX IÓ N M U LT IP U N T O : Cone xión de más de dos terminales o sis temas digitales a través de una misma línea o bus.
EN LA C E EU LL D Ú PLEX : C o n u - J cación entre dos terminales, con : sibiüdad de llujo simultáneo de dato* en ambos sentidos (transmisión y re cepción a) mismo tiempo). Lógicam en te requiere líneas independientes par. transmisión y recepción.
Finura ¡4.4. Bus serie.
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PRO TO C O LO : La transmisión-recep ción punto a punto o multipunto por una misma linea o bus requiere que sólo uno de los terminales pueda trans mitir en un instante dado y que al me nos uno reciba la información. Por tan to, deberá arbitrarse algún procedi miento o conjunto de reglas para de terminar cuál de los terminales está au torizado, en cada momento, para trans mitir por la línea o bus y cuál de ellos debe recoger la información. A este conjunto de reglas se le denomina pro tocolo (le comunicación. Generalmente, el protocolo lo forman conjuntamente una serie de señales de hardware y una serie de caracteres de control incor porados al propio mensaje junto con unas reglas de interpretación. R ED (D E C O M U N IC A C IÓ N ): Con junto de terminales que pueden inter cambiar información. El concepto de red requiere, como se verá en el apar tado siguiente, unos medios físicos de
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Señales en el bus
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enlace (hardware) y un software de so porte para poder gestionar la ocupación de la red, las rutas que debe seguir la información y para presentarla en for ma inteligible para el usuario. LA N (Lo cal Area Network): Red local que comunica varios terminales, por lo general a corta distancia (del orden de I km). W AN ( Wide Area NetWork): Red de arca amplia, que comunica terminales alejados, generalmente a través de lí neas telefónicas o enlaces de uso pú blico. NODO o EST A C IÓ N : Terminal de enlace a una red o punto de enlace de una red de rango inferior a una de ran go superior.
14.4. N O R M A L IZ A C IÓ N : M O D E L O DE R E F E R E N C IA O S I E l mundo de las comunicaciones abarca, como hemos dicho, una amplia gama de productos y servicios en la que el área industrial es sólo una pequeña parte. Para que sea posible la integra ción en una misma red de distintos sis temas digitales, con funciones muy d¡•ersas y peculiaridades propias, es pre ciso que todos ellos estén construidos najo unos ciertos criterios de normaización. Un primer aspecto que podemos considerar común en la mayor parte de redes de comunicación es que la trans misión de datos se efectúa casi siempre :-n serie, por motivos de economía de conexiones en el caso de las L A N y por mperativos de la red pública conmu tada en el caso de las W A N (sólo al gunos buses locales serán de tipo pa ralelo). Así pues, en lo que sigue y sea cual sea el medio físico en concreto, hablaremos únicamente de enlaces vía serie. En otros aspectos, la normalización en un campo que se desarrolla tan rá pidamente como el de las comunica ciones, es ciertamente dilícil y no pue de ser muy rígida si no se quiere que quede obsoleta a causa de la continua innovación. De todas formas, debe ga rantizar una mínima compatibilidad entre productos antiguos y los más evo
lucionados y más recientemente se ha visto también la necesidad de integrar productos que en principio parecían muy distintos, como puedan ser, por ejemplo, un autómata, un enlace te lefónico, un sistema de transmisión de imágenes, un ordenador de diseño C A D . etc. Asi pues, las normas en este campo sólo pueden consistir en una serie de reglas marco, de aceptación general, su ficientemente abiertas para dar cabida a todas las aplicaciones actuales y pre ver la integración de otras en el futuro. Todo ello hace que dichas normas pue dan parecer complejas en exceso en al gunos aspectos y poco concretas en otros, sobre lodo si se contemplan sólo bajo la óptica de las necesidades in dustriales. Pero hay que entender que no están pensadas exclusivamente para ellas. Es más, se podría decir que en principio estaban pensadas para las co municaciones telefónicas y que el in tento de unificación de normas ha he cho que los productos industriales se adapten a un mismo esquema o regla marco. Los organismos que se han ocupado de la normalización y que han conse guido una mayor aceptación interna cional en lo concerniente al tema de redes de comunicación digitales son los siguientes: ISO (Organización Internacional de Normalización). Este organismo ha de sarrollado la norma marco más general, denominada Modelo O SI (Open Sys tems Interconnection), pensada para abarcar desde redes locales hasta las grandes redes de paquetes conmuta dos. Uno de los miembros de ISO, la E1A (Electrical Industries Association) ha tenido también un importante pro tagonismo en la definición de normas referentes a los medios físicos de co municación. Así. por ejemplo, el co nocido bus RS-232, es una recomen dación de E1A. C C I/ T (Comité Consultivo Interna cional Telegráfico y Telefónico). Las normas más importantes emanadas de este Comité se refieren a definición de los medios físicos de transporte e in terfaces de comunicación. En los as pectos de normalización de la red, el C C IT T ha adoptado el modelo OSI. desarrollando varias recomendaciones
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para los niveles de transporte y apli cación. IE E E (Instituto de Ingenieros Eléc tricos y Electrónicos). Este organismo ha desarrollado una serie de normas en el campo de las redes locales, desta cando las recomendaciones 802.1 a 803.6 referentes, sobre todo, a proto colos de enlace. Concretamente la 802.1 sitúa todas estas recomendaciones en el contexto del modelo OSI. En general, puede decirse que todos los Organism os de N orm alizació n adoptan como norma marco el modelo O SI y todas las normas de detalle que van surgiendo, tanto a nivel de L A N como de W A N , se desarrollan basán dose en dicho modelo. Las recomen daciones O S I no son, en realidad, nor mas concretas, sino más bien unas re glas genéricas, cuyo mayor mérito ha sido el de subdividir el conjunto de ta reas de comunicación en siete niveles, asignando a cada uno ciertas funciones. La figura 14.5 muestra una primera aproximación esquemática, indicando cuáles son las tareas y cómo se ordenan según el modelo OSI. La característica esencial del modelo es que permite que cada nivel se ocupe de unas tareas y utilice los servicios de los niveles inferiores sin necesidad de
Figura i 4.5. Subdivisión de tareas de comunicación: aproximación al modelo OS/.
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IN FR A E S T R U C T U R A DE
TRANSPORTE
R E G U L A C I Ó N DE T R A F I C O PUNTO
A PUNTO
M ED IO
DE
TRANSPORTE
I
I
N IV E L n
Funciones Protocolo n Funciones n entidad n (mensajes) n Servicios drsponzbles In te rio r (p rim itiva s) N IV E L n-l
f.jncionf-s Protocolo Fur.c iones n-i entidad n-l n -1 n-l l
I I
i Servicios disponibles
t
O SI es subdividir las tareas del proceso de diálogo a través de máquinas digi tales. Una parte de dichas tareas del sistema de comunicación va dirigida a dar soporte al usuario (niveles 7, 6 y 5), y otra parte va dirigida a facilitar el llujo de información digital entre terminales y/o máquinas (niveles 4, 3, 2 y I). El modelo establece una clara diferencia entre ambos grupos de funciones y, a su vez, subdivide cada una de ellas en varios niveles (véase la figura 14.7). En lo que sigue explicaremos con mayor detalle las funciones asignadas a cada uno de los niveles del modelo O SI, es tableciendo un paralelismo con el caso de comunicación entre interlocutores humanos de la figura anterior.
I
i _________ i Medio tísico (lin eas de transporte)
Figura 14.6. Organización del protocolo entre niveles homólogos. preocuparse de cómo funcionan. Las reglas de protocolo consistirán, pues, en relaciones de tipo horizontal que de ben ser compatibles entre cada par de terminales enlazados, según ilustra la figura 14.6. Así pues, lo que pretende el modelo
14.4.1. Tareas asignadas a cada uno de los niveles O S I N IV E L 7: A PLIC A C IÓ N . Este nivel se encarga de proporcionar un entorno que facilite el entendimiento entre usuarios de distintas máquinas digitales a nivel temático, sin importarle medios ni protocolos de comunicación. Como símil, supóngase que dos per sonas desean intercambiar información sobre un lema. El primer requisito es que el transmisor y el receptor del mensaje sean capaces de dialogar sobre dicho tema. Es decir, debe haber un
Figura 14.7. Niveles OSt: flujo de diálogo.
entendimiento entre interlocutores a nivel temático, ambos deben saber in terpretar la terminología. Por ejemplo, si el intercambio de información ha de ser sobre el tema «arte contemporá neo», ambos interlocutores deben te ner un conocimiento del tema. Sin em bargo, no es imprescindible que cada uno conozca el idioma del otro inter locutor, ni necesita saber nada de cómo va a funcionar el medio de comuni cación (diálogo directo, teléfono, co rreo, mensajero o fax, por ejemplo). N IV E L (r. PR ESEN T A C IÓ N . Se en carga de facilitar la comunicación, a ni vel de lenguaje y formato de presen tación. entre el usuario y la máquina digital que le va a permitir el acceso a la red. Siguiendo con el símil iniciado en el nivel anterior, ambos interlocutores emiten y reciben el mensaje en su pro pio idioma y terminología (voz, len guaje escrito, taquigrafía, imágenes, etc.), pero, en general, necesitan de un intérprete en el curso de transmisión, que haga la función de traductor y pon ga el mensaje en un formato «trans portable» y en términos inteligibles por el otro interlocutor. N IV E L 5: SESIÓ N . En un diálogo in teractivo. las tareas encargadas a este nivel consisten en controlar la comu nicación, arbitrando en cada instante quién debe transmitir y quién debe re cibir. En particular, se encarga también de señalar el inicio y el final de la co municación. Continuando con nuestro símil, cada interlocutor, después de em itir un mensaje espera una respuesta para po der establecer un diálogo coherente. Si no recibe respuesta, será imposible el diálogo. Por otro lado, si ambos inter locutores desean hablar a la vez, deberá existir un moderador que establezca los turnos de palabra (hablar o escuchar) para cada uno y deberá, asimismo, identificar el inicio y el fin de dicho tumo. N IV E L 4: TRANSPO RTE. F.sle nivel es el responsable de establecer un me dio de comunicación y garantizar la transferencia de información sin erro res en ambos sentidos. Apoyándose en los niveles inferiores, actúa como un
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gestor capaz de interpretar las direccio nes, fraccionar, si es preciso, los pa quetes muy largos y llevar los mensajes a su destino correcto, sin precisar cuál va a ser la ruta o los medios utilizados para ello. F.n el símil que venimos utilizando, si los interlocutores se encuentran a distancia, el transmisor entrega el men saje a un servicio de mensajería, sin preocuparse de cómo lo hará llegar al destinatario. Supongamos que el men saje se compone de un texto y unas imágenes grabadas en una cinta de ví deo: el servicio de mensajería puede decidir enviar el texto por fax y la cinta a través de una agencia de transportes. Es decir, el gestor de transportes tiene a su servicio diversos medios de co municación y es su responsabilidad ha cer llegar el mensaje, no importa cómo o incluso, en algunos casos, por varios medios combinados. N IV E L J : RED . Este nivel es el res ponsable real del encaminamiento de mensajes entre nodo y nodo, a través de un medio físico, sin importarle cuál sea dicho medio ni el contenido del mensaje. E n el caso de comunicaciones digitales el medio podrá ser, por ejem plo, cable, radio, fibra óptica, etc.
En el símil que seguimos, la red para transmitir el texto será la red telefónica, mientras que para la cinta de video se empleó una agencia de transportes. En ambos casos se supone que disponen de una red que enlaza ambos interlo cutores y en el punto de origen del mensaje hay un gestor que decide el mejor medio y la mejor ruta dentro de los que se hallan disponibles. N IV E L 2: EN LA C E. El nivel de en lace es el responsable de mantener ta comunicación entre cada par de nodos de la red, apoyándose para ello en un medio físico de conexión. Siguiendo con el símil de ejemplo, en cada nodo de las redes utilizadas (telefónica y transportes) hay un gestor de red (central de comunicaciones o sucursal de la agencia), cada centralita de la red telefónica es responsable de comunicar con la siguiente sin errores y cada encargado de la agencia de transporte es responsable de mantener el flujo de paquetes entre su sucursal y la de destino.
N IV E L I. f'iSIC O . El nivel lisien se encarga de disponer de los medios materiales que garantizan el enlace en tre nodos (cables, fibra óptica, mó dems, etc.) y de que ambos se entien dan a nivel de interpretar los unos y ceros de la comunicación digital (co dificación de bits por niveles de ten sión, por tonos de frecuencia, etc.). Ob sérvese que el nivel fisico sólo entiende de unos y ceros, sin importarle que re presentan. En nuestro ejemplo los medios tí sicos que utilizará el fax serán las líneas telefónicas, los modems de enlace, etc. En la red de transportes el medio fisico será la motocicleta, el furgón o el avión si es preciso. Obsérvese que el modelo O SI está pensado para un caso general de gran des redes de telecomunicación de tipo W A N , pero las redes L A N y otras de menor envergadura quedan incluidas y se adaptan a la estructura, usándola parcialm ente y dejando el sistema abierto a la conexión con niveles su periores. Asi, por ejemplo, las redes de comunicación industriales y más par ticularmente las redes de autómatas a nivel de planta, se estructuran habi tualmente como redes de tipo local de bajo nivel, denominadas también httxes de campo y suelen utilizar sólo los ni veles 1, 2, 3 y 7 del modelo O SI, pero pueden enlazarse con redes superiores LA N y W A N . Obsérvese también que cada uno de los niveles descansa en una serie de servicios de los niveles inferiores, que utiliza sin importarle los detalles de su funcionamiento. Es interesante resaltar que los ni veles 5, 6 y 7 están orientados a dar soporte al usuario, facilitando el que éste pueda usar toda la potencia del mundo de la informática y las comu nicaciones sin conocer realmente nada de informática ni de comunicaciones. Los niveles 4 e inferiores son realmente los que soportan todo el sistema de transporte y enlace desde un punto de vista más tecnológico.
sando en la comunicación entre gran des redes de ordenadores, con técnicas basadas en la conmutación de paquetes y el envió a través de los nodos de una red W A N . En cambio, las comunica ciones en el entorno industrial suelen basarse en redes más reducidas de tipo L A N y. aun manteniendo la compati bilidad con el modelo, se pueden sos layar las funciones de alguno de los ni veles O SI o agrupar otras de niveles distintos en uno solo para simplificar el sistema. En un sistema industrial de control distribuido, las tareas se suelen dividir en cuatro niveles distintos, a los que llamaremos grupo* por no confundirlos con los «niveles» OSI. En consecuen cia, la estructura de comunicaciones se suele distribuir también por funciones en cuatro grupos, tal como se indica a continuación (véase la figura 14.8): (iR U P O I: Interfaz can el proceso. Este nivel está constituido básicamente por unidades de captación de señales y entrada/salida de datos del proceso o de un operador local. Su conexión a red permite la comunicación con sen sores, captadores y accionamientos y el control manual a pie de proceso. El enlace entre unidades de este ni vel suele efectuarse mediante redes simples o buses de campo, cuya es tructura suele ser del tipo maestro-es clavo o en algunos casos de maestro flotante (ver capítulo siguiente).
14.5. REDES LOCALES INDUSTRIALES
G RU PO 2: Mando y regulación. Cons tituido por unidades de control, con C P U y programas propios tales como autómatas, controladores de robots, controles numéricos, etc., que se en cargan del control automático de partes del proceso. La integración en red de estas unidades permite que intercam bien datos c información que son de utilidad para el control global de dicho proceso. Estas unidades suelen ejercer el pa pel de maestro en la comunicación con el nivel inferior (bus de campo), pero a su vez permiten el enlace con niveles superiores, enlace que suele requerir redes con protocolos más elaborados que el bus de campo.
Como se ha dicho, el modelo O SI fue desarrollado originariamente pen
G RU PO Supervisión y mando cen tralizados. Este nivel incluye una serie
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de unidades destinadas al control global del proceso, tales como ordenadores de proceso, terminales de diálogo, sinóp ticos, terminales de enlace con oficina técnica (C A D ), etc. Desde estas uni dades se tiene acceso a la mayor parte de variables del proceso, generalmente con el propósito de supervisar, cambiar consignas, alterar programas y obtener datos con vistas a su posterior proce samiento.
generalmente ejercidas por distintas C PU . Los primeros serán responsables del control propiamente dicho y del diálogo con los operadores, mientras que los bloques de comunicación tie
G RU PO 4: Gestión y documentación. Este nivel incluye la comunicación con ordenadores de gestión y se encarga del procesamiento de los datos obtenidos por el nivel 3 para efectos estadísticos, control de producción, control de ca lidad, gestión de existencias y dirección general. En algunos casos, las unidades de este nivel pueden disponer de co nexión a redes más amplias de tipo WAN.
En cada uno de los grupos podemos distinguir dos tipos de bloques: blo ques de procesamiento y bloques de comunicación, con funciones distintas.
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nen a su cargo asegurar las transferen cias de información con la máxima ra pidez y fiabilidad, ya sea entre unidades del mismo nivel (flujo horizontal) o con los niveles superior e inferior (flujo ver tical). Asi pues, a excepción de los bloque» del grupo 4, en las L A N industriales no se utiliza el modelo OS1 completo, sino sólo aquellas funciones que son im prescindibles. Más concretamente, no se implementan explícitamente los ni veles red (3). transporte (4) y sesión (5). puesto que la red es de uso exclusive y se gestionan estos servicios desde e! nivel de enlace (2), en contraste con lo que ocurre en las W A N , que suelen ser de titularidad pública y el usuario al quila sólo un servicio. En cuanto al ni vel de presentación (6) no suele ser ne cesario dentro de redes que contengar dispositivos homogéneos o compati bles entre si (buses de campo norma lizados), y en tal caso las funciones d¿ nivel 6 son asumidas por el nivel apli cación (7). Pero existen, «pasarelas» o traduc tores de código, que pueden conside rarse interfaces de presentación (6) par¿ enlazar entre sí productos no comp.libles directamente (por ejemplo, en lace de un bus de campo a un sistem. de más alto nivel como pueda ser e M A P). Como se ha dicho, los dispositivo» I del grupo 4, dentro de las L A N ¡r-
dustriales, constituyen una excepción de lo dicho anteriormente ya que, pre cisamente, ejercen la función de «pa sarelas» entre la L A N industrial y las redes W A N . Para ello suelen disponer de un procesador especifico de co municaciones dotado de todas las fun dones del modelo O SI completo. La figura 14.9 muestra esquemáticamente el modelo de enlace entre dispositivos de la L A N (modelo O SI incompleto) > los de la W A N (modelo O SI com pleto).
14.6. TOPOLOGIA DE LAS LAN En los niveles más bajos de cualquier -ed de comunicación, y en particular en as L A N , hay que distinguir dos as pectos: el medio de enlace físico (ca-
í atura 14.10. Topologías de redes locales.
q)
Estrello
b) Anillo
c ) Bus
bles, fibra óptica, enlace radio, etc.) y la estructura de enlace de la red, es de cir, el conjunto de reglas que regulan el diálogo y el tráfico de datos en la misma. Se entiende por topología de una red la disposición física de los distintos ter minales que la componen y la forma en que se encuentran enlazados por el me dio fisico. Así pues, la topología define la configuración de la red desde el pun to de vista del nivel I del modelo OSI. Entendemos, en cambio, por estructura lógica la que define el nivel 2 de OSI, es decir, la estructura de enlace, que se estudiará en otros apartados. La elección de la topología tiene una fuerte influencia sobre las prestaciones de la red y condiciona muchas veces sus posibilidades de ampliación, de cambio y de compartición de recursos. Las topologías básicas en redes lo cales son tres: estrella, anillo y bus (véase la figura 14.10). Existen, sin em bargo, algunas estructuras híbridas, ge neralmente en forma de árbol, cuyas ramificaciones parten de los nodos principales de una red con una de las estructuras básicas. E S T R E L L A : E n esta topología, todas las estaciones están conectadas a un nodo central, que sirve de punto de en lace con todos los nodos periféricos. Por el nodo central pasan todos los da los, incluso aquellos que se intercam bian entre estaciones periféricas. Es fre cuente, además, que la estación central esté configurada como maestra, por lo que deberá tener una potencia de pro cesamiento y de comunicación superior a las demás y, normalmente, centrali zará las funciones de gestión, comu nicación con operador y/o otros siste mas, concentrando periféricos compar tidos por el resto de la red (impresoras, consolas, etc.). La principal ventaja de la configu ración en estrella es la facilidad de aña dir nuevos periféricos y el hecho de que una avería en un nodo periférico sólo afecta al tráfico con éste. No obstante, presenta varios inconvenientes: el pri mero y más importante es que cual quier fallo en el nodo central causa la parada total de la red. La fiabilidad del conjunto depende, pues, directamente de la estación central. E n función de la estructura lógica puede presentar
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también el inconveniente de mayores retardos y congestión a medida que au menta el número de estaciones sopor tadas por el nodo central. Todo ello hace que actualmente sea una topo logía poco utilizada en grandes redes, aunque sigue gozando de cierta po pularidad en redes pequeñas (en con creto, no ha sido incluida dentro de las estructuras normalizadas por IE E E ). A N ILLO : En esta topología las es taciones están conectadas en forma de un lazo cerrado. Cada estación tiene conexión con otras dos y los datos cir culan en una única dirección, de forma que cada estación recoge los datos de la anterior, comprueba si es ella la destinataria y, en caso contrario, los re transmite a la siguiente estación. El control de la red puede ser cen tralizado o distribuido, pero se obtie nen ventajas con un control distribui do, ya que se elimina la dependencia de una sola estación. Dado que la in formación circula por todas las estacio nes sucesivamente, la fiabilidad y ve locidad de la red queda condicionada por la peor de las estaciones que la for man y la interrupción de una de las es taciones interrumpe totalmente la red. Para paliar estos problemas en redes locales y en caso de un control distri buido, se puede prever el «bypass» de la estación defectuosa, ya sea en forma manual o automática. Una red en anillo puede en principio crecer indefinidamente, aunque la in clusión de cada nueva estación provoca una pérdida de velocidad, debida al re traso adicional que ésta introduce. Este hecho puede llegar a afectar al funcio namiento del conjunto. B U S : En esta topología las estaciones están unidas entre sí a través de unas líneas comunes compartidas por todos los nodos. Esta disposición física plan tea un problema lógico, puesto que el bus es único y sólo uno de los ter minales podrá ocuparlo para transmitir. En consecuencia, el acceso al medio fisico debe ser controlado por algún método lógico (M A C , Media Access Control), tal como se discutirá en el apartado siguiente. La configuración en bus es la más utilizada en redes de autómatas y ofre ce, en principio, la máxima fiabilidad
TOPOLOGIA
F.STRtl 1A
uus
ANILLO
Coste de conexión
Alto
Medio
Rajo
Ampliación
Fácil
Difícil
Fácil
Fiabilidad
Raja
Media
Alta
Retardos
Medio
Alto
Bajo
Rendimiento global
Bajo
Medio
Alto
Tabla II.I. Cuadro comparativo tic prestaciones de las tapalnnias. y flexibilidad en cuanto a añadir o eli minar nuevos terminales. En la práctica esto puede no ser del todo cierto si la estructura lógica confiere alguna prio ridad a alguna de las estaciones en el control del bus (tal es el caso de los buses que funcionan con estructuras ló gicas del tipo maestro-esclavo o anillo lógico). Sin embargo, puede hacerse que todos los terminales tengan idén tica prioridad y prestaciones (maestro llolante). con lo que el sistema adquiere la máxima flexibilidad. La capacidad del bus en cuanto a máximo número de estaciones depen de del medio físico, A partir de un cier to número será necesario incluir am plificadores que mantengan el nivel de las señales en el bus. La tabla 14.1 muestra un cuadro comparativo de las prestaciones de las tres configuraciones básicas. Cabe decir que las topologías híbridas en forma de árbol, suelen configurarse a base de una estrella, un bus o un anillo en los que alguna de las estaciones es, a su vez, el centro de una estrella.
14.7. N IV E L F ÍS IC O D E LA R E D En general, lo que entendemos por medio físico consta del conjunto de elementos de hardware destinados a transmitir las señales eléctricas u óp ticas entre los diversos nodos de una red. En el caso de redes L A N . del cual nos ocupamos básicamente en este tex to. el medio físico lo forman esencial mente dos grupos de componentes:
pendiendo de la frecuencia de las señales, de la distancia y del nú mero de canales a transmitir. Nótese que en algunos textos se designan como cables tanto los formados por conductores eléc tricos de tipo metálico como los de fibra óptica. Aquí, utilizaremos el término cable para designar a los primeros y fibra óptica o cable de fibra óptica para designar a los conductores ópticos. 2) Las interfaces son dispositivos con diversas funciones, tales como amplificación de señal, repetido res, adaptadores de niveles de tensión, adaptadores de código, etc. Las interfaces más frecuentes en las redes locales suelen ser los conversores de señal unipolar a diferencial o viceversa (por ejem plo, los conversores de RS-232 a RS-485 o RS-422), los modula dores y d em odu lad ores (m ó dems) y los transmisores-recep tores vía radio. Una de las características esenciales del medio físico, con independencia de cual sea, es el número de canales que es capaz de transmitir con el mismo medio llsico. A este respecto cabe dis tinguir dos tipos de enlace: banda hase y banda ancha.
Para comprender la diferencia entre ambos debemos recordar los conceptos de modulación y demodulación expli cados en el apartado 14.3. En los en laces por banda base se transmiten di rectamente los datos mediante señales de forma de onda cuadrada o, en caso de ser modulada, se transmite con una única portadora, de forma que cada ca ble es capaz de transmitir sólo una se ñal. En cambio, en los enlaces por ban da ancha, todas las señales van mo duladas, pero cada una con una por tadora de distinta frecuencia, lo cual permite transmitir por un único cable o fibra óptica varias lineas de datos si multáneamente, cada una de ellas en un rango de frecuencias distinto. Esto último permite transmitir, por ejemplo, datos y voz, o datos e imágenes por un mismo cable, aunque en nuestro texto nos limitaremos u comentar los enlaces de dalos. 14.7.1. Cables Los cables empleados en la comu nicación digital podemos clasificarlos en dos grandes grupos: pares de con ductores trenzados y cables coaxiales El CC1TT define varios tipos de pa res simétricos y coaxiales apropiados para la transmisión a diversas frecuen cias. Tanto los pares de cables como los cables coaxiales deben ser considera dos para altas frecuencias como líneas de transmisión, con una inductancia > una capacidad distribuidas, tal comí muestra la figura 14.11. (Para líneas cortas supondremos lineas sin perdi das. En el caso general, debería con siderarse una resistencia R en serie con L y una conductancia G en paralelo con C. Véase la referencia [4) para un es tudio más detallado de las líneas c. transmisión.)
Figura 14.11. Par de cables considerado como linea de transmisión.
I) Los- medios físicos de unión, que básicamente pueden ser de Ires tipos: cables eléctricos, fibra óp tica y enlaces vía radio. Ambos pueden ser de diversos tipos, de
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Los parámetros L y C representan, pues, la inductancia y la capacidad por unidad de longitud y los valores repre sentados en la figura 14.11 son. res pectivamente: d L — l. d v y d C = C d.v, La propagación de señales en una mea de transmisión obedece a ecua-lones de onda, distintas de las habiualmente empleadas en electrotecnia. Véase por ejemplo la referencia [3]). La diferencia estriba en el hecho de que is longitudes de linea son mayores que la propia longitud de onda de la señal •'ansmitida y, por tanto, en los puntos Je discontinuidad (conexiones, finales de linea, ele.) pueden aparecer ondas ■eflejadas y ondas radiadas. Para una mea considerada sin pérdidas, una nda de tensión se propaga a una vetcidüd:
•= fi/ c • la corriente que circula por una línea le longitud indefinida está relacionada .on la tensión aplicada por la llamada mpcdancia característica Z , = y/lJC.
Según la fórmula anterior, para una fea de transmisión sin pérdidas, la cnsión y corriente a lo largo de toda linea serian constantes: no obstante, >c consideran los parámetros R y G mencionados anteriormente, existirá _na atenuación, que suele expresarse ;h dB/m. (Véase la referencia |4| para n estudio más detallado.) Por otra parte, en el caso de que exisj.n discontinuidades en la línea de ansmisión. tales como empalmes a través de regletas o finales de línea, se roducen, como ya se ha dicho, ondas eflejadas, que distorsionan la señal. z'.ira evitarlo se debe colocar al final de nea y en paralelo con el par de cables jna resistencia de valor igual a Z,„ con cual la línea se comporta como injefinida. También en los empalmes fuede ser necesaria la colocación de .iguna resistencia para evitar las ondas -eflejadas. IZn cables coaxiales previstos rara una determinada frecuencia (lon. iud de onda), como los utilizados en edes E T H E R N E T por ejemplo, se sue len hacer unas marcas a múltiplos de i longitud de onda, de forma que los . rtcs v las terminaciones se deben ha-
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Figura 14.12. Impedancia característica de pares de cables y cu ble* coaxiales can distinta configuración, cer en estos puntos, con lo cual se evi tan al máximo las reflexiones y la ra diación. La figura 14.12 muestra la impedancia característica de pares de cables pa ralelos y de cables coaxiales en función de los diámetros de los conductores y de su separación.
con luz en el espectro del infrarrojo (longitudes del orden de I ¿/ni). Al final de linea se coloca otro diodo receptor que recompone las señales eléctricas. El esquema funcional en su aspecto fí sico se representa en la figura 14.13. Cabe decir que los conductores óp ticos presentan también una atenua ción. que depende de la longitud de onda. Dicha atenuación es del orden de 0,2 a 0,6 dB/kni. Así pues, las distancias de enlace dependen del tipo de fibra empleado y de la calidad de los conectores. Para distancias cortas puede usarse cable de fibra óptica de tipo plás tico, simplemente para salvar ambien tes perturbados por interferencias elec tromagnéticas. Para distancias más lar gas (hasta varios kilómetros) debe usar se cable de cuarzo. En cualquier caso, la calidad de las conexiones es fun damental para evitar pérdida de señal y debe hacerla personal especializado; por ello, los autómatas o, en general, en los sistemas ¡nstalablcs por el usua rio, suelen suministrarse ios cables con las conexiones hechas. F.n el caso de
14.7.2. Enlaces por fibra óptica Una de las formas más eficientes de evitar las interferencias por ruido eléc trico en las comunicaciones consiste en emplear fibra óptica. Los cables de fibra óptica contienen, en general, varios conductores ópticos. Cada conductor suele tener una sec ción muy pequeña (del diámetro de un cabello) y está formado por un núcleo, generalmente de cuarzo o de material plástico sintético. Los índices de re fracción del núcleo suelen ser del or den de 1,5, lo cual indica que la ve locidad de la luz en su interior es del orden de 200.000 km/s. Las fibras óp ticas se excitan mediante diodos láser.
Figura 14.13. Enluce mediante /¡tira óptica. Diodo láser
Fotodiodo
OTX
Señal eléctrica
p
Cat^e Optico
Corrector
//
ORX
-a
Conector
T ra n s m iso r
1 R ece p to r
a) Esquem a funcional
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Señal eléctrica
SE
Fibra
b) Transmisión de señal óptica
SPÑAI
F U N C IO N
OTX
Salida de señal óptica. Transmisor
ORX
Entrada señal óptica. Receptor
Tabla 14.2. Salidas de Ins transmisores/receptores de fibra óptica. autómatas se suelen emplear dos con ductores para cl enlace dúplex, mar cados tul como indica la tabla 14.2.
14.7.3. Módems telefónicos y vía radio Para transmisión de señales de pro ceso a distancias muy grandes se pue den conectar estaciones a la red a tra vés de modems unidos a líneas tele fónicas o mediante estaciones de radio. Desde el punto de vista físico, estos sistemas representan sólo una interfaz en la vía de comunicación. Cada es tación remota se conecta a un modem, en general a través de un canal RS-232. E l modem remoto transmite por vía te lefónica o vía radio a otro modem al otro extremo de la línea, el cual re compone las señales RS-232. Desde el punto de vista del usuario, esta cone xión permite tratar el dispositivo re moto como cualquier otro dispositivo que tenga una salida RS-232 próxima. Se dice, por tanto, que la unión es «transparente» desde el punto de vista físico y lógico, aunque la estación se encuentre físicamente alejada. La estación remota puede actuar a su vez como maestro de una red, tal como muestra la figura 14.14. Tanto en la red principal como en las remotas, si existen, los modems de en lace suelen comunicarse con una es tación y casi nunca directamente al bus. En efecto, los modems suelen trabajar con conexiones punto a punto de tipo RS-232 y la estación suele realizar el papel de convcrsor de RS-232 a RS-485, RS-422 u otros medios físicos. En cuanto a las estaciones con mo dem, suelen disponer de un buffer de memoria que permite que las veloci dades de comunicación con la red y con la línea sean distintas. Los enlaces por radio se suelen em plear para distancias de unos 10 a 15 km como máximo y, generalmente, uti lizan una modulación de frecuencia por
el método F F S K (Fast Frequency Shift Kcying) con una portadora en la banda de U H F . Este método proporciona un elevado rechazo al ruido y permite la transmisión a distancias considerables con una potencia muy baja.
14.7.4. Codificación y sincronización de datos Nos ocuparemos únicamente de co municaciones vía serie, ya que. como se ha dicho anteriormente, son las que se utilizan exclusivamente en las co municaciones entre autómatas. Los buses paralelo quedan limitados a buses internos, comunicación con periféricos locales (por ejemplo, el bus Centronics para impresoras) y algunos buses de instrumentación (el más conocido el G P IB , 1EEE-488). En cualquier enlace serie se deben resolver dos problemas básicos, cada uno con diversas variantes posibles: a) Problema de codificación de los bits.
b) Problema de sincronización c sus tres aspectos de: Sincronización de los bits. - Sincronización de los caracteres - Sincronización del mensaje.
El mensaje serie consiste en una se cuencia de unos y ceros, codillcadc mediante niveles de tensión, por llar eos o por señales moduladas en frt cuencia o en fase [2|. Pura adaptar los niveles de tensió de trabajo de los sistemas digitale (normalmente, 0 a +5 V ) a los nivele de transporte propios del medio, s debe realizar una operación intermed de codificación. Codificar consiste e pasar la información binaria (sccuei cias de «unos» y «ceros») a informació entregada al medio lisico para su tran m isión, directam ente o modulad (transmisiones en banda base y en bai da ancha, respectivamente). Esta transmisión deberá estar sincrr nizada, a fin de que el receptor sep exactamente dónde empieza y acab cada bit, y pueda extraer la informació
Figura 14.14. Red con enlaces ría modem telefónica y vía radio. Enlace a oirás redes
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de la línea con la frecuencia adecuada, aun en el caso de que se transmitan varios ceros o varios unos seguidos. I.a duración de una casilla de bit de pende de la frecuencia de transmisión, que se indica por el parámetro deno to'nado haud rale. Dicho parámetro indi.a el numero de bits por segundo transmitidos. SIN C R O N IZ A C IÓ N D E HITS
La sincronización de cada bit puede obtenerse de varias formas pero, esen cialmente, hay que distinguir dos gran des métodos: Transmisión asincrona. No se trans mite señal de reloj. La linea sólo trans mite información y la sincronización de bit se logra generando un reloj en reepción, que necesariamente será asin.rono, ya que resulta imposible obtener ana frecuencia exactamente idéntica. 'Obsérvese que aunque se consiguiera una precisión de uno por mil. se ten dría un error cada mil bits, lo cual sería muy elevado.) La forma de resolver este problema -■insiste en añadir a cada carácter un "it de «slart» igual a 0 y uno o más de stop» igual a 1. De esta forma, se ga rantiza al menos un flanco por cada caacter. El método se completa a base le utilizar en recepción un reloj que rea un múltiplo de la frecuencia de bits ■SI. 16, 32 o 64 más rápido, por ejem plo). La lectura se realiza en el impulso entral de reloj (impulso 5, ó. 17 o 33, case la figura 14.15) y resincronizando cada carácter que se recibe (general mente un carácter será de 11 o 12 bits, ■ocluyendo 8 bits de datos. I bit de ST A R T . I o 2 bits de S T O P y I bit de paridad). Asi pues, con una resincronización cada carácter de 12 bits y un reloj 16 •eces más rápido que el haud rale se tendrían: 16 X 12 = 192 impulsos de reloj/carácter. El error admitido podría rer como máximo de 7 impulsos por .arácter y se continuaría leyendo den tro de la casilla de bit, lo cual indica que con un reloj que tenga un error de un 3,5% respecto al teórico valor del haud rare se sigue identificando co rrectamente la casilla de bit. Transmisión síncrona. Este tipo de
5 T0Psl
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' í J í.5'6 b¡6 77 8 8'1 'i 2 3 4)56 78
Reloj recepción
Finura 14.15. Sincronización de hits en sistemas asincronos. Ejemplo can reloj de recepción de frecuencia igual a ocho veces el haud rule. transmisión se diferencia de la anterior en que se transmite de alguna forma la señal de reloj. Esto puede hacerse por una linea adicional (poco frecuen te) o de forma que el receptor pueda extraer dicha señal de la propia línea de datos. Obsérvese que esto puede re sultar muy dillcil si la señal recibida mantuviera su nivel durante mucho tiempo (muchos ceros o muchos unos transmitidos consecutivamente) Para poder generar un reloj perfectamente síncrono es preciso que la señal reci bida tenga cambios de nivel frecuentes, de forma que ei reloj de recepción pue da resincronizarse a cada flanco. La for ma de conseguir esto consiste, gene ralmente, en escoger una forma de co dificación apropiada, por ejemplo, mo dulación de láse, de frecuencia, codi ficación Manehester, etc. SIN C R O N IZ A C IÓ N ÜF. LO S C A R A C T ER ES a ) En comunicación asincrona Como se ha dicho anteriormente, en las comunicaciones asincronas se sin croniza en realidad el carácter median te los bits de S T A R T y de STO P. Cuando no existe comunicación, la lí nea se mantiene a nivel alto, de forma que el primer carácter de S T A R T re cibido dará una transición de nivel alto a bajo. Este método, sin embargo, no per mite frecuencias de reloj muy elevadas (típicamente 19.200 f iz o baudios como máximo) y, además, para transmitir ca racteres de 8 bits se deben transmitir
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II o 12 bits, con lo que la información útil es de un 66% a un 73% />) En comunicación síncrona Para optimizar la información útil y permitir frecuencias de transmisión más elevadas (10 M llz , por ejemplo, en re des E T H E R N E T ) se recurre a la co municación síncrona. Ésta requiere, como se ha dicho, formas de codifi cación que permitan resincronizar el reloj a cada bit (véase más adelante); pero, en cambio, evitan tener que aña dir los bits de S T A R T y STO P. La forma de sincronizar el carácter consiste en intercalar periódicamente unos caracteres especiales denomina dos de sincronismo (S Y N C ). En au sencia de datos a transmitir, la linca transmite continuamente dichos carac teres. SIN C R O N IZ A C IÓ N D E BLO Q U ES D E M E N S A JE > CO N TRO L D E E R R O R ES
En una comunicación es preciso po der detectar cuándo empieza un men saje, cuándo termina y si se ha recibido sin errores. Estas funciones no son pro piamente del nivel físico, sino del nivel O SI 2 (enlace) y, por tanto, se estu diarán en el apartado siguiente. No obstante, diremos aquí que dichas fun ciones se consiguen haciendo que el mensaje obedezca a una trama prees tablecida. C O D IFIC A C IÓ N
En banda base, los métodos de co-
presenta un I por un impulso y un 0 por nivel 0. pero además los im pulsos se alternan de polaridad. Asi pues, varios unos seguidos se re presentan por varios impulsos con secutivos de polaridades cambiadas. Este método presenta también di ficultades de sincronización si se transmiten varios ceros seguidos, por lo que se suele complementar con un código de tipo H D Bn. como se explica a continuación. Códifios H DBn (lligh Density B i polar of order n): Son códigos A M I modificados, de forma que si se presentan más de ii ceros conse cutivos se añade un pulso de vio lación, V, que tiene la misma po laridad del precedente (esto per mite distinguirlo de un uno. que tendría polaridad cambiada). Se suelen añadir además pulsos de tipo l i si hay un número par de unos, de forma que el impulso 1 siguiente siempre tenga polaridad inversa del anterior.
figura 14.16. Algunas de las formas más usuales de codificación de datos. dillcación de bits más utilizados son los siguientes (figura 14.16): - N R Z (Non Return to Zero): Utili zado básicamente para transmisión de datos en enlace directo o a tra vés de modems asincronos. En este sistema de codificación se repre sentan los ceros por un nivel bajo de tensión y los unos por un nivel alto. El método presenta dificulta des de sincronización si se reciben varios ceros o unos seguidos, por lo que hay que añadir bits de start y stop que garanticen al menos un pulso por carácter y permitan ob tener dicha sincronización. NRZ.I (Non Return to Zero Inverled): Este método se emplea para sistemas síncronos o asincronos y representa los valores lógicos 0 y I por transiciones en vez de por niveles. Concretamente, el 0 lógico se representa por una transición (flanco de subida o de bajada, no importa) y el I lógico por una no transición. De esta forma se con
sigue que. al transmitir todo 0. se reciba la frecuencia de reloj y pue da sincronizarse el receptor al ini cio. Sin embargo, en sistemas sín cronos, persiste el problema de que varios unos seguidos hacen difícil la sincronización. Para resolver este inconveniente el método sue le ir acompañado de una forma es pecial de codificar los caracteres que no permite más de n bits a nivel I seguidos, de forma parecida a lo que se verá más adelante en los códigos H D Bn . - Codificación Manchcxrer: Es una mejora del anterior para que los sistemas síncronos puedan recons truir de forma precisa el reloj. Los ceros se representan siempre por un flanco positivo (transición de 0 a 1) y los unos por un flaneo ne gativo (transición de I a 0). Asi se garantiza al menos un flaneo por bit. A M I (Altérnate Mark Inversión): En esta forma de codificación se re
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C M I (Coded Mark Inversión): I ' este procedimiento lo que varía ela duración del pulso. Un 0 se re presenta por un pulso con una du ración de 1/2 de la celda de b: mientras que un I tiene una du ración de 1 celda de bit. La a
14.8. E N L A C E S EST Á N D A R : N1VEI F ÍS IC O En este apartado nos ocuparemos de describir algunos de los enlaces frecuentes en comunicaciones indus triales, en su aspecto físico, es dee número de señales y su función, re veles de tensión, etc. El nivel de descripción será necevriamente resumido, con el fin de c a conocer los aspectos de aplicaci ; más importantes. En muchos casos . tos enlaces, a veces denominados b . . ses, son objeto de alguna norma que da una descripción mucho más e\ haustiva y a la cual remitiremos al lec tor que desee ampliar algunos detall, . Atendiendo al número de lineas d
medio lísico podemos establecer una clasificación muy general en dos cate gorías: a) Enlaces que contienen lineas de datos y líneas de control y evenlualmcnte una linea de cero de señal. El caso más típico es el en lace RS-232. />) Enlaces X O N -X O EF. en los que existen sólo lineas de dalos y a lo sumo una línea de cero de señal. Los casos más típicos son los en laces RS-422 y RS-485.
Otro aspecto que permite clasificar los es el hecho de que las señales sean unipolares como es el caso del RS-232. 0 diferenciales como es el caso del RS-422 y RS-485. N O TA: En todo el texto que sigue de este apartado se ha empleado el tér mino «enlace» refiriéndonos a la co nexión fisica. No debe confundirse esta designación con las tareas asignadas al nivel O S I 2, que se describen en el 1paitado 14.9.
14.8.1. RS-232C. V.24 F.I enlace RS-232C. recibe su nombre Je la norma americana de F.1A (Eléc trica! Industries Association), equivaente al estándar europeo V.24 de C IT T . Este estándar fue previsto en un principio para la comunicación en tre un terminal (D T E ) y un modent D C E ) pero, posteriormente, han súr calo una multitud de variantes, apli cadas de forma generalizada a enlaces punto a punto entre terminales de da is (D T E — D T E ). l a norma básica se ocupa, esencial mente, del aspecto físico de la cone•ión, indicando los tipos de conectores, iveles de señal y las señales de pro tocolo a nivel de hardware (señales de •handshaking»). En concreto, el enlace iclinido por la norma básica utiliza 25 neas (dalos + control) y conectores po DB-25. La denominación V.24 de la norma equivalente del C C IT T viene del hecho te que los niveles de tensión utilizados son de +12 V y -12 V (0 y I lógicos, respectivamente). En realidad, existe na banda de tolerancia para estas teniones, según muestra la tabla 14.3,
II LOGICO SA LID AS
les. autómatas y ordenadores perso nales (P C ) pero, en dichas aplicaciones, no suelen emplearse todas las señales previstas por la norma original y, por ello, muchos utilizan un coneclor de 9 patillas, tipo DB-9. en lugar del concclor DB-25 En la figura 14.17 se indica la con figuración de los distintos tipos de co nectores y las patillas que ocupan cada una de las señales, tanto en el caso del coneclor DB-25 previsto en la norma original para el enlace terminal-modem. como en el DB-9 previsto como canal serie en muchos PC y autómatas. En la tabla 14.4 se indican los nombres y símbolos habituales de las señales de E/S más importantes del bus y se es pecifica, además, la patilla que ocupan en los conectores DB-25 y DB-9, según se trate de un terminal (D T E ) o de un modent (D C E ). Obsérvese que la primera fuente de confusión al hablar de enlaces RS-232 está en si la identificación de las se ñales corresponde a las patillas o las líneas. En efecto, la linca denominada T xD (transmisión de datos) en la ñor-
11
+5 u +15 V
—5
ENTRADAS +3 a +15 V
-3
Tabla 14..i. \óvles de tensión en el bus NS232C K24.
Actualmente existe una gran diver sidad de dispositivos digitales (orde nadores, aparatos de medida, contro ladores industriales, etc.) que disponen de un canal de comunicaciones serie que suele designarse como RS-232, aunque ciertamente utilizan sólo una mínima parte de las señales definidas en la norma original (véase la referen cia [5]), Este hecho ha dado lugar a al gún desconcierto y falta de compati bilidad entre terminales que teórica mente obedecen a la misma norma pero que, en muchas ocasiones, no uti lizan las mismas señales de control («handshaking»). Así por ejemplo, los aspectos básicos de la norma han sido adoptados para los enlaces entre terminales industria
Figura 14.17. Conectores empleados en la conexión NS-232C. i
M x D — C U0 J5 * B a s e de tiem pos tran sm isor T T IM — 16 R ece p ció n d a to s (sec.) SR x D — T r a n s m is ió n dato s
(se c.)
Q
B a s e de tiem po s re c e p to r No
a s ig n a d o
No
a s ig n a d o DTE
RTIM — T L o i e rj l9 o ü í0
listo
2 ,0
S e le c t o r v e lo c id a d NA —
- P a n t a lla p r o te c c ió n
T xD
T r a n s m is ió n d a to s (D T E l
RxD
R e c e p c ió n
d a to s ( D T E ) (D T E )
,5
C T S - H a b ilit a c ió n e n v ío ( D T E )
36 ,7
D S R - D C E lis to
9
SG - M asa DCD
D e te c t o r de p o r ta d o r a
♦•V - T est -V - T e st NA - No a s ig n a d o
■p
R eloj del te rm in a l
FG
R T S - P e t i c i ó n e n v ío
220 23 0
In d ic a d o r de lla m a d a ( D C E )
a)
33
i
D e te c to r c a lid a d s e ñ a l
No a s ig n a d o
■ ■
.,13
-SOCO
D etección p o rta d o ra (secu ndario)
-SCTS
H a b ilita ció n en vío (secundario)
Conector DB-25 según normo básica E IA RS-232C
DCD - D e te c to r de p o r ta d o r a D C E lis to
D SR
P e tic ió n e n v ío ( D T E ) R T S H a b ilita c ió n e n v ío ( D T E ) In d ic a d o r de lla m a d a ( D C E )
b)
CTS RI
RkD
R e c e p c ió n d a to s (D T E )
T * D - T ra n s m is ió n d a to s (D T E ) DTR - D T E lis to SG
- M asa
C onectar DB-9 u tilizado en buses RS-232 incom pletos
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N.' PATILLA SP.ÑAl. FUNCIÓN
DTK
DCE DB-25
DB-9
FCi
1
-
1
Pantalla de protección de ruidos F M I
T xD
2
3
2
Datos DTF. (transmite) —> D C K (recibe)
RxD
3
2
3
Dalos D T E (recibe) — DCF. (transmite)
RTS
4
7
4
D T E (petición de envío) —> D C E
CTS
5
8
5
D T E (habilitación de transmisor) — D C E
D SR
6
6
6
Modem listo D T E — D C E
DTR
20
4
20
DCD
8
1
8
Detección de portadora modem D T E •— D C E
22
9
22
Detección de llamada telefónica D T E * — D C E
7
5
7
Rl SG
Term inal listo DTF. — D C E
Cero de señal, masa.
rahla 14.4. Señales y patillas de conector del bus RS-232C utilizadas en comunicaciones industriales.
-na original, va conectada a la patilla de ransmisión del D T E pero a la de re:epción de un D C E. En la norma ori ginal prevista para una conexión terminal-modem las designaciones co'responden a lineas, pero en la cone xión D T E < — D T E , esto crea confusión y, por ello, en la mayor parte de ca tálogos de productos informáticos e in dustriales las designaciones correspon den a las patillas. En algunos catálogos de productos industriales se designa a veces como canal RS-232 un enlace que sólo dis-
Figura 14.18. Conexión RS-232 entre un terminal (DTE) y un modem (DCE): señales básicas.
pone de las líneas TxD, RxD y SG , es decir, sin ningún tipo de señales de control por hardware («handshaking»). Este tipo de enlace, llamado a veces X O N - X O EF. no puede considerarse ni siquiera una degeneración del bus RS-232, por lo que en este texto de signaremos como conexiones RS-232 (y habría que añadir degeneradas) aquellas que contengan al menos dos líneas de control por hardware. La des cripción de la tabla 14.5 y algunos
Figura 14.19. Enlace RS-232 entre dos terminales (DTE) con todas las señales de control. MOTA: En algunos DTE faltan algunas de estas señales o pueden estar cambiadas (por ejemplo, se sustituye DSR por DCD). FG
o—
------ ?*--------------- —o / \
^
TxD RxD
1
\
1
»
*|
RT5 CTS
]
\
1
►,
1
m
FG T xD RxD
\
RTS CTS D SR
DSR D TR
'N C i
DCD
\
SG
«
DTR
NC m
DCD
1
SG
w DTE
DTE
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Figura 14.20. Algunas conexiones RS-232 con las minimas señales de control. ejemplos de conexión que se exponen en las figuras 14.18 a 14.21 pueden ayu dar a interpretar correctamente las fun ciones de cada patilla, lo cual es fun damental para saber cómo debe cons truirse el cable de enlace entre dos ter minales. 14.8.2. Bucle de corriente, TTY La distancia de conexión entre ter
Figura 14.21. Conexión serie anulando las señales de control.
SEÑAL
DESCRIPCIÓN
FG
(Ficld Ground). Pantalla de protección contra ruido electromagnético. C o mún a ambos extremos.
r xD
Patilla de transmisión de datos (salida).
RxD
Patilla de recepción de dalos (entrada).
RTS
(Request to Send). Patilla de salida de un terminal que indica que éste esta dispuesto para enviar un dato. Debería interpretarse como «dispuesto para transmitir».
CTS
(Clear to Send). Patilla de entrada de un terminal que índica habilitación para transmitir. Debe interpretarse como una señal del receptor que indica «listo para recibir».
iImportante/ U n terminal no puede transmitir si no se habilita esta señal. D SR
(Dala Set Ready) Para un terminal es una entrada que índica que el otro terminal interlocutor está dispuesto. Para un modem ésta seria una patilla de salida que indica que éste está dispuesto para la comunicación
DTR
(Data Terminal Ready). Para un terminal es una salida que indica que éste está dispuesto para transmitir o recibir.
DCD
(Data Carrier Detecl). Esta señal es propia de un modem, en el cual sería una salida que indicaría que éste está recibiendo señal portadora. Fn un terminal debe interpretarse como una entrada que indica que el interlocutor está dispuesto y se suele emplear en algunos casos como alternativa de D SR.
¡Impártanle! En algunos terminulcs se deshabilita la recepción si esta entrada no está activada.
RI
(Ring lndicator). Esta señal es propia de un modem e indica que éste está recibiendo una llamada por la linea telefónica. No suele emplearse en el enlace entre terminales.
SG
(Signal Ground). Linea de masa o cero de señal. Es común a ambos lados del enlace.
j bla ¡4.5. Descripción de las señales más importantes del bus RS-232C vistas desde el lado de un terminal
anales con un enlace RS-232C V.24 está limitada a causa del ruido electro magnético. Según la norma, la distan cia no debe sobrepasar los 15 m, aunue en la práctica suele funcionar co•ectamente para distancias de hasta unos 100 m. Sin embargo, para mejorar este aspecto se puede utilizar la co nexión serie denominada en bucle de .orriente 0-20 mA, llamada también T T Y , que permite comunicacionespunto a punto o multipunto hasta unos 1200 m, con velocidades hasta 9600 baudios, empleando dos pares trenza dos para un enlace dúplex de tipo X O N -X O FF (figuras I4.22« y 14.22/»). Eventualmente pueden emplearse otros tipos de conexión con sólo tres cables, como muestran las figuras 14.22c y 14.22c/.
Obsérvese que en algunos textos se designa esta conexión como «RS-232T T Y o en bucle de corriente», pero, como hemos dicho en el apartado an terior, no puede llamarse propiamente bus RS-232 a una comunicación XONX O F F sin señales de control por hard ware, si bien éstas podrían añadirse. En los enlaces por bucle de corriente las señales se transmiten por impulsos de corriente a través de pares de cables. Generalmente, se emplean señales de 20 mA para representar el nivel lógico 1, mientras que la ausencia de corriente se interpreta como nivel lógico 0. Se dirá que un terminal es activo si dis pone de las fuentes de corriente de 20 m A para transmisión y recepción, y pa sivo si no dispone de ellas (figura 14.226). Un terminal puede ser también
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activo en transmisión y pasivo en re cepción o viceversa. La figura 14.22 muestra además que pueden existir múltiples conexiones posibles para un mismo tipo de terminales; compárense, por ejemplo, las mostradas en las fi guras I4.22u y I4.22e, que correspon den al mismo tipo de terminales con transmisor activo y receptor pasivo. Obsérvese que todas las variantes de conexión difieren sólo en la forma de intercalar la fuente de corriente de 20 mA en el circuito transmisor-receptor. Las conexiones más estándar son, de todas formas, las de la figura 14.22o y 14.226, que emplean dos pares tren zados y la pantalla de protección. El esquema de principio de la parte interna de las lineas de transmisión (Tx D ) y recepción (R xD ), tanto en el caso de que sean activas como si son pasivas, muestra que ambas partes sue len construirse a base de optoacopladores. La tabla 14.6 muestra, por otro lado, la designación de las patillas de señal, indicando brevemente su fun ción. Como se ha dicho, la técnica XONX O F F utiliza sólo lineas de datos y no dispone de líneas especificas para trans mitir señales de control. Las señales de control necesarias para sincronización de mensajes o para otros menesteres se suelen transmitir por las propias líneas de datos, de forma que el control de enlace (nivel O SI 2) se efectúa por soft ware. Por lo general, se supone que el receptor es suficientemente rápido para leer los datos a la velocidad que son transmitidos y que ningún dalo se es cribe en el bulTer de entradas antes de que haya sido leído el anterior (si esto sucediera se genera un error de «overrun», que sería detectado y transmitido por la línea TxD del receptor). Los enlaces serie en bucle de co rriente son quizás la forma más antigua de conexión serie de terminales y de ben el nombre de T T Y (Teletypc) al hecho de que se utilizaban para los antiguos teletipos. Sin embargo, siguen gozando de cierta popularidad en las comunicaciones industriales, puesto que presentan unas excelentes presta ciones para enlaces en ambientes al tamente perturbados. La mayoría de las aplicaciones de este tipo de conexión se encuentran en enlaces punto a punto, pero puede tam-
■p
r
i ■
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b) T erm inal activo en transm isión y recepción y term inal pasivo (A h ilo s) +2’0 mA |
^ -20mA •T4
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-20mA
i F£ i
d) R e c e p to re s a c tiv o s y tr a n s m is o r e s p a s iv o s (3 hilos)
c) T ran sm iso res a c tiv o s y r e c e p to re s p a s iv o s (3 hilos)
Figura 14.22. Conexiones punto a punto en bucle Je corriente. TTY. dúplex. Dién aplicarse a enlaces en red, ya sea en forma de bus, tal como muestra la jgura 14.23, o formando un anillo fí sico, en cuyo caso la conexión sería, jor ejemplo, la mostrada en la figura 14.24 para la red RS-422.
14.8.3. RS-422 El enlace RS-422 debe su nombre a! medio físico definido por la norma imerlcana E1A de igual designación y ^ue hace referencia a transmisión de iatos y señales de control mediante pa‘es de señales diferenciales. Asi pues, ie forma análoga a lo que ocurre con a norma RS-232, la RS-422 no define rúales deben ser las señales de control m el protocolo de enlace y, por tanto, jajo la designación de RS-422 pueden meontrarse buses de distinta configu ración, aunque hay que entender que odos ellos tienen características físicas niveles de tensión y tipo de conexión) dcnticas. Asi pues, a pesar de la de nominación de «bus», el estándar RS-
422 define sólo un medio físico, no un protocolo. En las aplicaciones industriales se designa como bus RS-422 al enlace fí sico previsto para la conexión punto a punto entre dos terminales, empleando para cada linea un par de señales di ferenciales transmitidas a través de un par de cables trenzados, al igual que ocurría con la conexión en bucle de
corriente. El objeto de esta configura ción es obtener una buena inmunidad al ruido electromagnético. La figura 14.25 muestra el esquema de principio de una línea diferencial. Los niveles de tensión generalmente empleados van entre ± 5 y ± 6 V (a circuito abierto) para el nivel lógico uno y 0 V para el nivel lógico cero. La señal del uno ló gico puede descender generalmente
Tabla 14.6. Señales en un enlace por bucle de corriente 0-20 mA SEÑ AL
f/'/>').
FUNCIÓN
FG
Pantalla cable. C ero de protección
T+
Colector abierto del transmisor
T-
Em isor del transmisor
R+
Ánodo del receptor
R-
Cátodo del receptor
+20 mA
Fuente de corriente. Salida de 20 mA. Puede haber una para T y una para R
SG
Cero de señal, masa
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' riura 14.2.1. Conexión hal/dúplex, en bus tipo bucle de comente 0-20 mA, con transmisores activos y •xceptores pasivos. (Requiere estructura lógica maestro-esclavo.)
Así pues, lo más habitual en co municaciones industriales es emplear sólo dos pares trenzados, uno para la linea de transmisión (T x D ) y otro para la línea de recepción (RxD ). Lógica mente, la ausencia de líneas especificas de control exige que las señales de con trol que deseen transmitirse sean en viadas por las propias lineas de datos y será el software el encargado de pro cesarlas. El enlace punto a punto entre dos terminales obedece, pues, al es quema de principio de la figura 14.26, donde lógicamente vemos que la línea de transmisión de un terminal va a la de recepción del otro y viceversa. Además del enlace punto a punto, el bus RS-422 permite también el enlace dúplex en una red en forma de anillo físico, tal como muestra la figura 14.27. Esta configuración es empleada por al gunas familias de autómatas progra mables de gama baja. La conexión RS-422 (dúplex) en una red con topología de bus no es posible, puesto que cada transmisor debería co nectarse a todos los posibles receptores y requeriría un par trenzado para cada uno. La solución para una topología en bus con pares diferenciales es utilizar un solo par para transmisión y recep ción, siendo entonces el enlace semidúplex. Esta opción es conocida como bus RS-485. 14.8.4. RS-485
asta i 2 V con la linea cargada con 2 )0 £2 en ambos extremos. A este res pecto cabe decir que para las distancias frecuencias generalmente admitidas en el bus (1.200 a 1.500 m y 2.400 a 14.200 baudios) las líneas de RS-422 de^en considerarse líneas de transmisión como tales deben cargarse a la salida :on resistencias de terminación de lí nea entre 100 y 250 Q, dependiendo del tipo de cable empleado. NOTA: En las siguientes figuras se omiten voluntariamente las resistencias de terminación de línea por simplicidad de dibujo.
El enlace RS-422 empleado en co municaciones industriales está previsto, en general, para un enlace dúplex de
tipo X O N - X O FF . es decir, sin ninguna línea de control (de todas formas, no hay impedimento alguno en transmitir señales de control a través de pares di ferenciales y de hecho en algunos au tómatas se encuentra este tipo de co nexión).
El enlace RS-485 es, en realidad, una simplificación del enlace RS-422 em pleando un único par trenzado para un enlace X O N - X O FF , semidúplex. Des de el punto de vista físico, el hecho de que el enlace sea semidúplex permite utilizar una sola línea de transmisión para transmitir y recibir los datos, aun que esto requiere un software de con-
Tabla 14.7. Señales típicas en un enlace por bus RS-422. SEÑ AL
FUNCIÓN
FG
Pantalla. Masa de protección
TxDA o T -
Salida invertida del transmisor
T x D B o T+
Salida no invertida del transmisor
R xD A o R—
Entrada inversora del receptor
R x D B o R+
Entrada no inversora del receptor
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número mayor de terminales o ma yores distancias de enlace utilizando re petidores o amplificadores de bus. 14.8.5. E T H K R N E T
Figura 14.26. Enlace punto a punto RS-422. (Se omiten en el dibujo las resistencias de terminación de linea.)
E T H E R N E T es a la vez el nombre de una técnica de comunicación y de una red comercial diseñada por XeroCorporation en los años setenta. La‘ especificaciones de la red fueron adop tadas y completadas en los años ochen ta por la propia Xerox junto con D i gital, Intel y otras grandes compañía del mundo de la informática. Dich..cspccificaciones abarcan el nivel lisio (O SI I ) aceptando ciertas variantes básicamente especifican las técnicas . emplear a nivel de enlace (O S I 2i Constituyen, por tanto, un núcleo cu-1 ' completo en lo referente a redes l> cales, si bien con ciertas variantes a r vcl físico. Las caracteristicas estándar de la re.l j son las siguientes: Metilo físico estántlor: I tipología (le la red: Modo de transmi sión: Codificación: Velocidad están dar: Método de acceso:
Figura 14.27. Enlace RS-422 en anillo físico. trol de enlace (nivel O SI 2) que haga conmutar la linea según que el terminal deba transmitir o recibir datos. El es quema de principio del enlace puede verse en la figura 14.28, donde se han dibujado deliberadamente en el inte rior de cada terminal un transmisor y un receptor análogos a los empleados en el enlace RS-422. Las características del enlace en cuanto a niveles lógicos, distancias má ximas y velocidades de transmisión en enlaces punto a punto son análogas a las indicadas en el apartado anterior para el RS-422. Existe, sin embargo, una diferencia esencial en cuanto a la posible configuración en red. ya que el RS-485 admite y suele emplearse en una topología en bus según muestra la
figura 14.29 (recuérdese que el RS-422 se conectaba en red en anillo físico). Obsérvese que la topología no implica que el enlace lógico no pueda ser de tipo anillo, estrella u otro (ver apartado 14.9). En la conexión en red, el número máximo de terminales conectados sue le estar limitado a 32 por razones de carga; sin embargo, puede admitirse un
Número máximo de nodos: Distancia máxima entre nodos:
Cable coaxial :: 50 fí En bus o en . bol. Semidúplex, ba: da base Manchester 10 Mbils/s C S M A / C D (veapartado 14.9) 1024 500 m
En el aspecto físico, que es el c. nos interesa en este apartado, exist:las siguientes variantes: E T H E R N E T D E C A B L E D ELG A Ir Esta variante se emplea para transm siones a distancias más cortas (un 1 200 m), con menor número de nod -.
Tabla /4. 8. Señales típicas en un enlace por bus RS-485. SEÑ A L
FUNCIÓN
FG
Pantalla. Masa de protección
D B o D+
Entrada/salida no invertida del transmisor-receptor
DA o D-
F.ntrada/salida invertida del transmisor-receptor
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CONCIPTOi O I N M A ltt U COMUNICAOOMU DKMTAlCt
otra estación sin que aparezcan cuflictos por intentos de ocupación - multánca. Dos son las estrategias mas generales de control de asignación de dicho medio físico: C ontrol centralizado (maestro fijo). Control descentralizado (maestro
notante).
y utiliza un cable de tipo RG58 y conectores más económicos. E T H E R N E T D E BAN DA A N C H A : Esta variante utiliza como enlace a la red un modem denominado D E C O M y se emplea esencialmente para gran des distancias o incluso para conexión a redes W A N .
14.9. E ST R U C T U R A L Ó G IC A D E LA S LA N Tal como se ha dicho en la intro ducción del apartado anterior, al hablar de estructura lógica de una red nos re ferimos a la estructura desde el punto de vista de las tareas asignadas al nivel Je enlace del modelo O SI (nivel 2), Es:as tareas pueden dividirse básicamente en dos grandes grupos: a ) C o n tro l de acceso al m edio (M A C . Media Access Control). h) Enlace lógico entre terminales (L L C , Logic Link Control).
El conjunto de todas estas tareas es lo que muchas veces se conoce en las
redes locales como «protocolo», aun que hay quien prefiere decir que el pro tocolo es esto más algunas funciones desarrolladas a nivel de hardware, como las vistas anteriormente al hablar de la conexión RS-232, donde ciertas señales de hardware implicaban el bloqueo de la transmisión o de la recepción. Existen varias recomendaciones de IE E E , de aceptación bastante general, incluso por parte de ISO. que indican las técnicas más comunes para control de acceso ai medio (recomendaciones IEEE-803 a la IEEE-806) y otras de dicadas a las técnicas de control de en lace (básicamente la IEEE-802). En los párrafos siguientes daremos una des cripción, aunque sea superficial, de di chas técnicas. 14.9.1. Control de acceso al medio (M A C ) Como se ha visto en el apartado an terior, el medio físico más frecuente en las redes locales es un bus compartido por las distintas estaciones que la for man. Esto hace que deba resolverse el uso del mismo para transmitir una u
Entura 14.29. Enlace en red mediante has RS-4H5.
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En la primera, todas las transferen cias son ordenadas por una estación maestra que controla el bus. Aunque los protocolos de comunicación del ni vel O SI 2 se simplifican con esta es trategia. cualquier fallo en el maestro significa la parada total del bus, por lo que el método se utiliza sólo en redes sencillas de autómatas denominadas de tipo «maestro-esclavo». La segunda solución (control des centralizado) permite actuar de forma que ninguna estación sea imprescin dible para el control del bus, sino que cada una dispone de un turno de ocu pación. durante el cual lo utiliza según sus necesidades. Este tipo de control ofrece una mayor disponibilidad, al evi tar la caída del sistema en caso de fallo de algún nodo, por lo que es el método más utilizado en redes de cierta enti dad. Sin embargo, varias estaciones pueden intentar tomar el control del bus simultáneamente y. por tanto, se debe utilizar algún procedimiento de asignación que evite estos conflictos. Esta tarea corresponde precisamente al nivel O SI 2 (enlace), que establece las paulas de acceso al medio y resuelve los conflictos que puedan aparecer. Las técnicas de control de acceso más usuales son dos: — Paso de testigo («Token Passing»). Esta técnica es apta para redes con cualquier topología: estrella, anillo o bus. La técnica consiste en crear un tipo especial de mensaje, llamado testigo («token» en la bibliografía inglesa) que habilita a la estación que lo recibe para transmitir por el bus. Sólo la estación que recibe el testigo está autorizada para transmitir, mientras que cualquie ra de las demás, o varias simultánea mente, pueden estar en estado de re cepción. La forma de asignar el testigo a las distintas estaciones de la red puede ar
Obsérvese que, desde el punto d e vista de enlace lógico, el paso de testíg puede aplicarse incluso para una to pología en estrella con distintas varian tes de control (figura 14.32). Una de Im posibles variantes es aquella en que estación central canaliza todo el tráfico de datos desde el punto de vista fisico pero desde el punto de vista lógico pue de no administrar el testigo y, por tan to, puede configurarse una estructura de maestro Motante en la que el pape de la estación central es puramente de retransmisión. El protocolo de acceso por paso de testigo debe incluir, además de las lui ciones propias del nivel de enlace, lasiguientes adicionales: - Inicialización del anillo lógico. - Adición/supresión de estacioneai anillo. - Recuperación de errores en ca< de pérdida de testigo (detección por «timeout»). Al margen del soporte fisico, la tec nica de paso de testigo permite ase gurar un tiempo de respuesta, cuyo \. lor será: T = (n - \ )T „ ,
bitrarse con diferentes criterios, por ejemplo: — Limitación de! número de bytes a transmitir en cada turno. — Reparto equitativo de tiempos. — Reparto del tiempo con ciertas prioridades. — Etcétera. La aplicación de esta técnica en re des con topología en anillo está descrita en la recomendación IEEE-802.5 y vie ne prácticamente forzada a hacerse de forma cíclica, siguiendo la propia con figuración física, tal como muestra la figura 14.30. En el caso de topología en bus, la estructura fisica no impone ninguna condición en cuanto al orden de uti lización del testigo y, por tanto, la asig nación de éste puede hacerse libre mente, ya sea haciendo circular el tes tigo cíclicamente (anillo lógico, ver la figura 14.31) o asignando ciertas prio ridades de uso a determinadas estacio
nes. La recom endación IEEE-802.4 describe esta técnica, conocida como «loken-passing bus» en las versiones de banda base y banda ancha.
donde n es el número de estacioneactivas y T„ el tiempo máximo de ocu pación asignado a cada una. Dicha téc nica permite, además, introducir o mo-
Figura 14.32. Acceso por paso de testigo en una topología en estrella («Polling»). T e s tig o
E ST A C IO N
ESTA C IÓ N 2
M e d io fís ic o
ESTACIO N 3
M A ESTR O
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Jil'icar las prioridades de acceso (basta con cambiar la secuencia), con lo cual particularmente útil en el control de procesos, siendo uno de los métodos más empleados en las redes locales de autómatas. CSM A/CD (Carricr Sen.se Múltiple -.t'css Collisinn Detection). Esta técnica es apta básicamente para topologías en bus y está descrita en _ recomendación IEEE-802,3. 1.a red E T H E R N E T es quizás una de las más nocidas que utiliza esta técnica, que 'unciona de la siguiente forma: Cuando una estación desea trans mitir verifica si el medio físico está ocuido, a base de detectar si existe señal : dalos o portadora (en realidad el prnbre de «carrier sense» deriva del echo de que las primeras experiencias n este método se hicieron con es piones unidas vía radio y modem). Si medio físico está libre, la estación ima el control del mismo y lo mancne hasta finalizar la transmisión. Si :•detecta ocupación (detección de poridora en la banda o detección de datos banda base), la estación espera y va •iciendo varios intentos hasta que el medio está libre. Si dos o más estadoes intentan ocupar el medio simulmeamente, se detecta una colisión que «liga a cada estación a esperar un empo aleatorio antes de volver a rem ontar transmitir. Este tiempo suele dcender del número de veces sucesivas . ,e se ha intentado el acceso y se suele .pblar en cada intento con un limite rtiximo. Las técnica C S M A / C D permite que .na estación sea retirada o colocada sin .xigir el paro de la red pero, en cambio ' permite garantizar la transmisión del mensaje en un tiempo determinado, ya .ce éste dependerá del nivel de ocu pación de la red.
— Técnicas combinadas: maestro no tante. La técnica de «maestro flotante» aede gestionarse por un método hi pido entre el paso de testigo y el SMA/C’D y trabaja como sigue: Al inicializar la red todas las esta . ones intentan ocupar el papel de maestro, estableciéndose una contien: j parecida al método C S M A /C D . Después de una serie de intentos, una
de ellas consigue el control (en realidad está predeterminado por la prioridad establecida al configurar cada estación). A partir de este momento cualquier es tación que entre en la red actuará como esclava, y no podrá transmitir si no re cibe el testigo. Periódicamente la es tación maestra realiza escrulaciones de la red para determinar qué estaciones están conectadas y elaborar la tabla de estados, que es difundida a todas las estaciones para actualizar sus direccio nes. El tiempo de ciclo de escrutación de la red es variable, y depende del nú mero de estaciones conectadas y de la cantidad de mensajes que circulan. Cuando finaliza una transmisión, el maestro detecta el fin de ocupación de la linca y pasa la palabra (testigo) a otra estación, según las direcciones indica das en dicha tabla de estados. En caso de averia de la estación maestra, las res tantes estaciones detectan la ausencia de mensajes por la red y cl sistema se reinicializa automáticamente eligiendo un nuevo maestro de forma análoga al proceso de puesta en tensión. De esta forma se soluciona el problema de paro de la red por avería o retirada de ser vicio de la estación maestra.
2) Enlace con un urupo. Consiste en que un solo trans misor pueda emitir un mensaje dirigido a un grupo concreto de destinatarios. i ) Enlace difundido. Consiste en que un transmisor pueda emitir un mensaje dirigido a todas las estaciones de la red.
La norma marco que define cl suhnivel L L C es la 1EEE-802.2. Dicha nor ma establece sólo una relación de las funciones que este subnivel debe fa cilitar al nivel superior (red), así como aquellas que se supone que tiene dis ponibles de los inferiores. Todo ello suele controlarse a través de bytes es peciales de control que son transmití dos a través del medio físico. Si, como hemos visto, existen dis tintas configuraciones físicas y diferen tes técnicas de control de acceso al me dio, no puede pretenderse una regla única válida para controlar cl enlace: por tanto, es evidente que no puede existir una trama estándar o válida con carácter general. Así pues, cada «bus estándar» suele emplear sus propios có digos de control de enlace y sus propias técnicas de detección de errores.
14.9.2. C ontrol lógico de enlace ( L L C )
En el caso de una red local, el subnível L I.C controla el enlace desde el punto de vista lógico, es decir, estable ce el protocolo para que la estación transmisora pueda identificarse, esta blece el formato de mensaje para que la estación o estaciones destinalarias puedan reconocer que el mensaje va dirigido a ellas, permite identificar el inicio de mensaje y su final y añade caracteres para control de errores. En definitiva, podríamos decir que el nivel de protocolo L L C controla «quién ha bla y con quién» y «cuándo empieza y cuándo termina cl enlace». Nótese que para redes W A N algunas de estas fun ciones corresponderían al nivel OS1 3 (red), pero a nivel local este papel lo ejerce totalmente el nivel O S I 2. En cuanto a los tipos de enlace po sibles podemos distinguir: I) Enlace punto a punto. Éste implica el direccionamiento de una estación única por parle de la estación transmisora.
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14.10. CONTROL DE ERRORES E l intercambio de datos entre dos terminales puede tener errores debidos esencialmente a interferencias en el medio físico, fallos de sincronización o fallos en el enlace lógico. Por ello, es frecuente añadir a la información bi naría ciertos bits o bytes para detectar y. si es posible, corregir dichos errores. En general, cualquier fallo detectado por el receptor dará origen a un men saje de error de éste y se requerirá la repetición del mensaje. Podemos dis tinguir tres grandes grupos de errores: — Errores a nivel de carácter. A nivel de carácter los errores con sisten en el cambio de algún bit dentro del carácter. Para detectar esta even tualidad se suele añadir un bit adicional de paridad, que permite conocer si el número de unos en el carácter es par o impar. La paridad se fija por convenio al configurar la comunicación entre dos
terminales, de forma que se puede es coger paridad P A R (E V E N ). IM P A R ( O D D ) o a n u la r la com prob ación (N O N E ). Si se establece una paridad, el transmisor añade automáticamente un I o un 0 al llnal del carácter de datos de forma que el número de unos (ca rácter + bit de paridad) resulte siempre par o impar, según se haya elegido. (N O TA : Este concepto se aplica tanto al código A S C II de 7 bits como al de 8 bits por carácter.) Asi. por ejemplo, si se desea tra n s m itir el carácter 11001100, con paridad par se añadirá un 0, ya que el número de unos ya es par. Si se deseara transmitir el mismo ca rácter con paridad impar se añadiría un 1 para que el número total de unos re sultara impar. — Errores tle sincronización. Los errores básicos de sincronización son dos: Framing; En comunicaciones asin cronas en código A S C II, indica sim plemente que el receptor no ha reci bido el bit o los bits de stop al final del carácter más bit de paridad. En otros códigos que no admiten más que un determinado número de ceros o unos seguidos pueden implementarse otro tipo de comprobaciones. Overrun: Indica que se ha enviado un carácter antes de que el receptor haya tenido suficiente tiempo para leer el an terior. Errores a nivel de mensaje. Puede suceder que exista una co rrecta sincronización y que todos los bits de paridad hayan dado correctos, pero aun así no puede descartarse la posibilidad de que haya existido un cambio de dos unos en un carácter, por ejemplo. Para asegurar que el mensaje está libre de errores pueden emplearse varios métodos, de distinta compleji dad, dependiendo del grado de fiabi lidad que se desee obtener. A conti nuación se citan algunos de los más simples: Paridad horizontal: La comprobación de paridad antes mencionada se apli caba a los bits de un carácter y se co noce también como paridad vertical. Se puede aplicar el mismo concepto, tal como ilustra la figura 14.33, al conjunto
de bits del mensaje que ocupan la mis ma posición en cada byte. El resultado es un carácter que contiene todos los bits de paridad horizontal, que se co noce como B C C (Block Check Character). Carácter de C RC : Este método con siste en sumar todos los bytes del men saje, dividir el resultado por un número predeterminado y obtener el resto de la división. Dicho resto es el empleado como carácter de comprobación, de nominado C R C (Ciclic Redundance Check) o a veces «Checksum». E n realidad, dada la estructura de memoria y registros de la mayor parte de equipos, dividida en bytes (8 bits) o palabras de 16, 32 o 64 bits, la di visión por ciertos números múltiplos de 8 es inmediata. Basta simplemente con sumar uno a uno todos los carac teres del mensaje y despreciar los des bordamientos. Así, por ejemplo, si el resultado de la suma se almacena en un registro de 16 bits, se obtendrá el resto de una división por 16 y se dice que el C R C es módulo 16 y se designa por C R C ( 16). Otros métodos polinomiales: Se basan en el mismo principio del C R C , pero se emplean varios divisores, lo cual per mite una mayor fiabilidad c incluso el recuperar uno o más bits erróneos sin necesidad de repetir el mensaje.
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14.lt. R E S U M E N En este capítulo hemos pretenda! dar una visión del tema de común caciones, con especial énfasis en I' conceptos generales y con algo más :. profundidad en el aspecto fisico del erlace. Siendo el tema de las co m u n icac. nes tan extremadamente amplio, n hemos centrado exclusivam ente . aquellos aspectos que hemos creído a aplicación en el entorno del autórr.saj programable, es decir, a las redes _ ámbito local. Aun asi hemos procura j J enlazar el tema con algunos concepto aplicables a redes W A N , con vistas J la posibilidad de acceder a ellas de sor los terminales y aplicaciones de tipo r dustrial. Se han resumido los principales r e todos de enlace fisico, que afortuna damente suelen obedecer a normas . cierta antigüedad y. por tanto, ya t ^ solidadas. Pero también hemos v¡-> que algo en principio tan simple c o ro un enlace RS-232 tiene distinta in' pretación por parte de los diversos bricantes. La razón es que en parte ■ responde a normas, pero para d is tip iJ productos aparecen nuevas necesidad, y en aquello que no está estrictamend normalizado cada cual aporta su intepretación particular. Es por ello por ■ que el tratamiento que hemos heci
CONCEPTO! OfNERAUI DI COMUNICACION!! DIOITAU!
del lema puede parecer inconcreto y superficial, sobre todo en lo referente al nivel O SI 2 (control de acceso al me dio y control de enlace lógico). A pesar de la gran cantidad de nor mas existentes y aun limitándonos a las aplicaciones industriales, no puede de cirse que exista un único procedimien to de comunicación o una red estándar de validen general, com prendiendo desde el nivel físico hasta el software de aplicación. Dicho de otra forma, a pesar del enorme número de aplicacio nes industriales que emplean comu nicaciones, el estado actual es que cada fabricante se ocupa sólo de que sus productos sean compatibles entre sí.
pero la posibilidad de enlazar produc tos de distintos fabricantes es todavía muy limitada. Actualmente estamos en una fase de expansión en el tema de las comuni caciones industriales y, en consecuen cia, ante un intento (en realidad varios) de unificación de los estándares em pleados: pero unas veces por falta de voluntad con fines comerciales y otras debido a la aparición de nuevas tec nologías, se llega a una situación en que cada cual pretende demostrar que su sistema es el más potente y a la vez «compatible» con tal o cual norma. La opción será, pues, la de describir con mayor detalle algún tipo de red
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concreta cuya aceptación se per*'' como más general, objetivo que hemos lijado para los capítulos sitn les.
14.12. R E F E R E N C IA S |l| Carraccüti Gallardo, Jusln. Rcdcsliic.il.industria I d Mmvomhii ( IVXtO 121 StPM hN S AG Tclccorminit.ii.iuii .. _ Mureomho S.A 11*1881 MI IlíiItclK J . Maura lispar/u R . Pali.i- > --<. lilcclrómcns M.ucumbu S A, (l*W2) |4| Dunlop J , Sniilh D.J. Ingeniería tic In comunicaciones. Gusuivo Cíili. i loxx. MI (. din boíl Jne I I lihru del KS-2.12 l'ilici Anuya Multimedia S.A. livxsi
15. REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES JS .l. IN T R O D U C C IO N La automatización de las industrias ha tenido un proceso de implantación gradual y por partes, aprovechando en cada momento los últimos desarrollos que ofrecían las nuevas tecnologías, so bre todo los circuitos integrados digi tales LSI. Esto ha dado lugar, como ya se ha dicho, a la existencia de «islas automatizadas», consistentes en una serie de equipos (autómatas, variadores de velocidad, controles numéricos, or denadores de diseño y gestión, etc.) ais lados entre sí y dedicados cada uno al control de una máquina o de una par cela cerrada de un proceso. Se dijo también que las prestaciones del con junto de estos equipos podían mejo rarse sensiblemente si se comunican entre sí y se presentaron los principios básicos de las redes de comunicación industriales: modelo O SI, estructuras lísica y lógica, etc. Concretamente en el capítulo 14, se hizo especial hincapié en el aspecto físico de la conexión, qui zás uno de los mejor asentados y es pecificados en normas internacionales y. por tanto, se pudieron dar detalles de los distintos tipos de conexiones es tándar. La integración de las mencionadas «islas automatizadas» suele hacerse, como se ha dicho, dividiendo las tareas entre «grupos» de procesadores jerár quicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de las redes industriales en la que se pueden distinguir clara mente tres niveles (figura 14.1): - Nivel de bus de campo. Este es el nivel de red más próximo al pro ceso y se encarga de la integración de pequeños automatismos (au tómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores P ID , equi pos de medida, etc.) en las lla madas «islas», que controlan dis tintas parcelas de un proceso. G e neralmente, en el nivel más alto de estas redes se suelen encontrar
uno o varios autómatas modulares de gama alta, que pueden actuar como maestro de la red o en es tructuras de maestro flotante. El conjunto constituye lo que se sue le llamar una «célula de fabrica ción». — Nivel de LA N . Este es el nivel je rárquicamente por encima del an terior y se encarga normalmente de enlazar las distintas «células de fabricación» en grupos más gran des. A este nivel se suelen en contrar los autómatas de gama alta y los ordenadores de proceso de dicados a las tareas de diseño, control de calidad, etc. Nivel L A N / W A N . Este nivel es el más próximo al área de gestión y se encarga de integrar los niveles anteriores en una estructura de fá brica o incluso de múltiples fac torías con emplazamientos dis persos. Las máquinas que forman parte de este nivel suelen ser mi niordenadores o redes de orde nadores compartiendo recursos e incorporando bases de datos que permiten centralizar los servicios de compras, control de stocks, ventas, control de costos, etc. La estructura indicada no es, sin em bargo, universal. Dependiendo del ta maño del proceso y de la propia em presa podemos encontrar redes con grado de complejidad muy diverso, desde el simple bus de campo hasta la que contiene todos los elementos ci tados. Globalmente y para cualquiera de los niveles citados, se está todavía lejos de tener un estándar universalmente acep tado que cubra lodos los aspectos, des de el nivel físico, pasando por los pro tocolos de enlace y terminando con un software de aplicación que permita al usuario olvidarse de las interioridades tecnológicas y aplicar el sistema de co municaciones como algo «transparen te», que simplemente está ahí y que se
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puede utilizar a través de un software comprensible incluso para los no ex pertos. La afirmación anterior es especial mente cierta a nivel de buses de cam po, debido quizás a la mayor diversidad de equipos que se deben enlazar y. por tanto, al mayor número de fabricantes implicados, que presentan cada uno una solución cerrada para la integra ción de sus productos en redes de bajo nivel. En la mayor parte de dichas re des. lo único que se adapta a ciertas normas es el nivel tísico y algunas téc nicas más o menos estándar de control de acceso al medio, pero por lo demás suelen ser completamente incompati bles entre sí. Hay que pensar, por otra parte, que a este nivel se trata de sis temas basados en microcontroladores de bajas prestaciones, dedicados casi por completo a tareas de control y que no tienen capacidad suficiente para implementar sobre ellos protocolos com plejos. A nivel de L A N existe una mayor uniformidad, puesto que los estándares han sido implantados en muchos casos por los grandes gigantes del mundo de la informática. A este nivel se suele tra bajar ya con C P U más potentes o in cluso se suele dedicar una C P U a la tarea específica de las comunicaciones Los fabricantes de automatismos y pe riféricos han optado en la mayor parte de los casos por construir adaptadores de conexión, código y protocolo (de nominados generalmente «pasarelas») que permiten unir su red de campo particular con redes de alto nivel como M A P u otras. En el nivel más alto, W A N . no pue de hablarse de ningún estándar pro piamente exclusivo para uso industrial, sino que se hace uso de redes, gene ralmente públicas, de propósito gene ral, capaces de transmitir datos, imá genes, voz, etc. Dado, pues, que no podemos hablar de un sistema único, con un entorno homogéneo para las comunicaciones
industriales, dedicaremos este capitulo a explicar en particular algunos de los que se han hecho más populares en cada uno de los dos niveles básicos (bus de campo y L A N ), ya sea por el nu mero de aplicaciones instaladas, ya por el potencial técnico y económico de las empresas que los han comercializado o implantado. Trataremos sólo de una forma muy marginal las redes a nivel de W A N , puesto que la conexión a re des industriales, si existe, suele efec tuarse a través de las mencionadas pa sarelas u ordenadores de comunicacio nes. cuyo estudio escapa del ámbito de este texto.
15.2. BUSES DE CAMPO El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso den:ro de la estructura de comunicaciones industriales. Está basado en procesa dores simples y utiliza un protocolo mí nimo para gestionar el enlace entre dios. Los buses propuestos más re cientemente contemplan ya la posible integración del bus a una estructura de comunicaciones jerárquicamente su perior y más potente, tal como se ha explicado en la introducción. Debemos señalar aqui que no hemos considerado propiamente como buses de campo las uniones punió a punto entre dos autómatas de la misma marca o entre un autómata de gama alta con ano o varios de gama baja, también del mismo fabricante. Muchas de estas uniones carecen de protocolo y se ba san simplemente en compartir ciertas areas de memoria de los citados au tómatas a través de lo que se deno minan «variables comunes». Asi pues, la característica básica para que una red de comunicación pueda denominarse propiamente bus de campo es que per mita intercambiar órdenes y datos en tre productos de un mismo o de dis tintos fabricantes a través de un pro tocolo reconocido por cada uno de los nodos. Hasta el momento han sido varios los intentos de crear un estándar para el nivel bus de campo. En todos los casos se pretende básicamente conse guir un enlace multipunto, para ele mentos cuya C P U está básicamente de dicada a las tareas de control. Dichas
C'PU tienen una capacidad de comu nicación limitada y no permiten implementar un protocolo al estilo de las grandes redes sin que ello suponga una pérdida importante de su velocidad y un incremento de precio y complejidad no justificables. Las características generales más co munes de los buses de campo son las siguientes:
Los
estándares de comunicación a nivel de bus de Campo cubren sólo una parte del modelo O SI, concretamente los niveles fisico (I), enlace (2) y aplicación (7). El resto de niveles no son impres cindibles para una red de tipo muy local, donde los medios de co nexión son de uso exclusivo y la estructura lógica es única. Sólo al gunas funciones que se podrían considerar propias de los niveles «red» y «sesión» se añaden a los niveles 2 y 7 para enlazarlos entre si. - En general, las especificaciones de un determinado bus admiten mas de un tipo de conexión física de entre ias normalizadas (ver capi tulo 14). Sin embargo, la más co mún es un bus semidúplex, co municación en banda base, tipo RS-485. Se encuentran también opciones que trabajan con RS-422 y conexiones en bucle de corrien te. Lo que realmente define el tipo de bus y le da nombre es el pro tocolo de acceso al medio (M A C ) y de enlace (L L C ). Dicho proto colo suele incluir también un so porte rudimentario para la capa de aplicación, que consiste en la de finición de una serie de funciones y servicios de la red mediante có digos de operación estándar. — El nivel de aplicación, dirigido al usuario, suele ser propio de cada fabricante, apoyándose en las fun ciones estándar antes menciona das para crear programas de ges tión y presentación casi siempre dedicados a una gama específica de productos. A lo sumo, el soft ware de aplicación es abierto y permite la programación en un lenguaje estándar (actualmente el más popular es el C ) para que cada
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usuario pueda configurar el nivel de presentación a su convenien cia. apoyándose en librerías están dar. — Salvo el caso de B IT B U S . todos los buses de campo suelen utilizar comunicación serie asincrona, con velocidades relativamente lentas. — En la mayor parte de buses de campo, el protocolo está previsto para gestionar una red con es tructura lógica de tipo maestro-es clavo, donde el control de red lo tiene siempre el maestro. Existen, sin embargo, algunos buses de creación más reciente que pro ponen una estructura con la po sibilidad de maestro llotante. F-l intento más serio de normaliza ción de un bus de campo, por parte de un organismo internacional de reco nocido prestigio, ha sido el emprendido por 1EC. El comité TC65C-WG6 lia de finido unas reglas marco bastante ge néricas y esto ha constituido un punto de partida importante para acercarse al tan deseado estándar. Las condiciones fijadas como marco por IE C son las si guientes: 1) Nivel fisico. Bus serie controlado por un maestro, comunicación semidúplex trabajando en band¿ base. 2) Velocidades. Dos alternali • •> I Mbit/s para distancias cort as. o valores inferiores, entre 2: kbits/s a 64 kbits/s para disi ipcias largas. 3) Longitudes. Dos alternativas i m para la máxima velocida. 350 m a velocidades más ha 4) Número de periféricos. M a v r de 30 nodos, con posibles mificaciones hasta un máxinde 60 elementos. 5) Tipo de cable. Pares de . trenzados y pantalla. 6) Conectares. Bornes de tip dustrial o conectores tip< -• D25. 7) Conexión/desconexión uon . — . La conexión y/o descone\‘ . algún nodo o derivación • interferir el tráfico de dar S) Topología. Bus físico cor bles derivaciones hacia dos o periféricos.
9) Longitud de rani¡/icaciones. M á xima longitud de tas derivacio nes de 10 m. I) Intplementación de protocolo. Los circuitos integrados que implementen el protocolo deben estar disponibles comercialmente y ser de dominio público (no prote gidos por patentes de exclusivi dad). Obsérvese que las especificaciones son bastante detallistas a nivel físico, pero dejan muy abiertos los niveles de enlace y aplicación (no se especifica la trama del mensaje ni las funciones dis ponibles), con lo cual y desde el punto de vista del usuario, es probable que dos nodos que cumplan las recomen daciones marco de IE C no puedan si quiera intercambiar caracteres entre sí y casi seguro que no serán capaces de intercambiar información, a menos que la estación «maestra» ejerza las funcio nes de pasarela. ( Algo parecido a lo que ocurre con dos dispositivos con sendos canales RS-232 que se intercambian bits a nivel tísico, pero que son incapaces cada uno de interpretar los mensajes dei otro.) Las condiciones marco propuestas por IEC' admiten varios posibles can didatos a bus de campo estándar. Hay
que tener en cuenta, además, que mu chos buses comerciales disponibles en la actualidad nacieron antes de la nor mativa IE C y, por tanto, no cumplen algunos de los requisitos. El resultado es que se sigue estando ante una au téntica «torre de Babel» en lo que se refiere a compatibilidad de productos a este nivel. Atendiendo a esta última afirmación y para no quedarnos en una descrip ción vaga de los buses de campo, he mos creído conveniente hacer un es tudio a fondo de algunos de los que actualmente están más extendidos, pro curando que no sean exclusivos de una sola marca. El estudio lo hemos con cretado en los siguientes: - M O D B U S M O D IC O N : Marca re gistrada de G O U I.D IN C . Define básicamente un protocolo de co municación pensado para una to pología maestro-esclavo. Su im plantación ha sido bastante amplia durante la década de los ochenta y son varias las marcas que ofre cen productos compatibles o pa sarelas para enlazar la red propia con este estándar. Su principal in conveniente reside en la falta de reconocimiento explícito por parte de alguna norma internacional. B IT B U S . Esta designación corres ponde a una marca registrada por Intel para designar un bus de altas prestaciones en velocidad y bajo coste. Sin embargo, Intel ha ce dido a dominio publico el están dar y. por tanto, puede conside rarse un estándar abierto. Se trata de un bus síncrono, cuyo proto colo se gestiona completamente m ediante el m icroco ntrolad or 8044, un A S IC basado en la ar quitectura de la familia 8051 do tado de una U S A R T y con las funciones de protocolo integradas en RO M . Precisamente la ventaja de dis poner de un controlador de mer cado, de bgjo coste, que gestiona completamente el protocolo y de una serie de software de aplica ción para su integración en otros buses y ordenadores de uso muy común como el propio IBM -PC, bus V M E . etc., hacen de B IT B IJS una alternativa muy atractiva para
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su utilización como bus de cam po. El mayor inconveniente para su implantación estriba quizás en que el origen es propio de una marca y no ha existido el apoyo de una normativa reconocida ¡nternacíonalmente. PR O F1 BU S, impulsado principal mente por los fabricantes alema nes. El protocolo es un subjuego del M IN IM A P . utilizado en redes de más altas prestaciones y está previsto para su integración en di chas redes de una forma simple. A pesar de ser un sistema muy abierto, es uno de los pocos que concretan bastante el nivel de aplicación y está progresando rá pidamente con el apoyo de una serie de marcas importantes y en el marco de la norma D IN 19.245 Uno de los inconvenientes para su desarrollo es que la información detallada del protocolo no es de dominio público. S-BUS (Speed Bus). El S- BliS no es propiamente un bus de campo, sino un sistema multiplexor-demultiplexor que permite la cone xión de E/S remotas (digitales y/o analógicas) a través de dos pares trenzados. Fue adoptado primiti vamente por algunos fabricantes europeos de autómatas y, sobre todo, de periféricos de entra da/salida. Existen, asimismo, otros buses que han gozado o gozan de cierta popula ridad y que han sido apoyados por al gún consorcio de fabricantes o incluso por alguna norma y que no hemos creí do conveniente detallar, tales como: F I P (Facto ry Instrum entation Bus), impulsado por algunos fa bricantes franceses, con el apoyo de algunos organismos oficiales de aquel país. Bus M IL-STD-I553B. adoptado por algunos fabricantes en U SA Hay que señalar que tras los nom bres más o menos distintos que cada fabricante da a su red propia de co municaciones suele esconderse, a ve ces. algún bus prácticamente idéntico a otro conocido con distinto nombre. Tal es el caso, por ejemplo, de JR U S .
RIDH D I COMUNICACIÓN INDUSTRIAL»
utilizado por la marca A P R IL . Este bus está basado en un protocolo práctica mente idéntico al M O D B U S , si bien algunas funciones no coinciden. Para poner de relieve tal similitud se ha in cluido un breve estudio del protocolo JB U S . 15.3.
M AESTRO
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ESCLAVO n
ESCLAVO 1
ESCLAVO 1
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M O D BUS
La designación M O D B U S MODIC O N ' corresponde a una marca regis trada por G O U L D INC. Como en tan tos otros casos, la designación no co rresponde propiamente a un estándar de red, incluyendo todos los aspectos desde el nivel físico hasta el de apli cación, sino a un protocolo de enlace (nivel O SI 2). Puede, por tanto, implementarse con diversos tipos de cone xión física y cada fabricante suele su ministrar un software de aplicación propio, que permite parametrizar sus productos. No obstante, se suele hablar de M O D B U S como un estándar de bus de campo, cuyas características esenciales son las que se detallan a continuación. 15.3.1. Estructura de la red M ED IO F ÍSIC O : El medio físico de conexión puede ser un bus semidúplex («half dúplex») (RS-485 o fibra óptica) o dúplex («full dúplex») (RS-422. BC 0-20 m A o fibra óptica). Véanse las figuras 15.1, 14.23 y 14.29. La comunicación es asincrona y las velocidades de transmisión previstas van desde, los 75 a 19.200 baudios. La máxima distancia entre estaciones de pende del medio físico, pudiendo al canzar hasta unos 1200 m sin repeti dores. ESTRU C TU RA LÓ G IC A : La estructura lógica es del tipo maes tro-esclavo, con acceso al medio con trolado por el maestro. E l número má ximo de estaciones previsto es de 63 esclavos más una estación maestra. Los intercambios de mensajes pue den ser de dos tipos (véanse las figuras 15.2 y 15.3):
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BUS
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b) C o m u n ica ció n dúplex
Figura 15.1. Estructura física del MODBUS. una demanda del maestro y una respuesta del esclavo (puede ser simplemente un reconocimiento «acknowledge»). — Mensajes difundidos. Éstos con sisten en una comunicación uni
direccional del maestro a todos los esclavos. Este tipo de mensajes no tienen respuesta por parle de los esclavos y se suelen emplear para mandar datos comunes de confi guración, reset, etc.
Figura 15.2. Estructura lógica de los intercambios en el protocolo MODBUS.
M A EST R O
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b) M ensaie difundido a todos los esclavos (no genera respuesta)
Intercambios punto a punto, que comportan siempre dos mensajes:
299
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M A ESTR O
Tratamiento de la i respuesta
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D ifu sió n
Intercambio punto a punto .
Intercam bio punto a punto
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Figura 15.3. Evolución temporal de los dos tipos de intercambios del protocolo MODBUS. A R Q U IT EC T U R A D E LA IN T E R F A Z D E C O M U N IC A C IO N ES M O D BU S: Para comprender algunas de las fun ciones previstas en el protocolo es in teresante conocer la arquitectura de la interfaz de comunicaciones, tanto para el maestro como para los esclavos. En dicha arquitectura encontramos ciertas áreas de memoria y registros muy vin
culados con las tareas de comunicación. La figura 15.4 muestra un esquema sim plificado de la interfaz para el maestro. En el caso de los esclavos la estructura es similar, pero suelen faltar algunos de los bloques de gestión de intercambios (tarea propia del maestro) y el programa de intercambios. Las funciones de los bloques principales son:
figura 15.4. Estructura de la interfaz de comunicaciones del maestro MODBUS. IN T E R F A Z
AUTOMATA
M AESTRO
RAM
EEPR O M
CONTADORES DE DIAGNÓSTICO
PROGRAMA DE LOS
CONTADOR DE
INTERCAMBIOS
r e in t e n t o s
PARAM ETROS DE COMUNICACIÓN
MEMORIA TAM PÓ N
37
37
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GESTION DE
GESTIÓN DE
¡=» INTERCAMBIOS
INTERCAMBIOS
PROVOCA0 05
PERIÓD ICO S
-SALIDAS
---
REG ISTRO DE ÓRDENES
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IN T E R F A Z
C=
Bloques de gestión de intercambios. Estos bloques gestionan la codificación y decodificación de los datos emitidos o recibidos.
15.3.2. Protocolo RUN
DATOS
Bloque de R A M : Contiene los datos variables a transmitir, los contadores de diagnóstico (128 en total para el maes tro) y el contador de reintentos. Los contadores de diagnóstico permiten un control de las tramas enviadas. Sus fun ciones se detallan en la tabla 15.1, tanto para el maestro como para los esclavos. El contador de reintentos es propio del maestro y se emplea en caso de falla de respuesta de alguno de los esclavos para determinar el número de ciclos al cabo de los cuales se efectúa un nuevo intento de comunicación.
MODBUS
CONTROL
DE
Bloque de EEP R O M : En la memoria E E P R O M se almacenan los intercam bios programados, ya sea para ejecu tarlos de forma periódica o mediante órdenes de alguna de las salidas del au tómata. Se almacenan también los paráme tros de la comunicación: velocidad («baud rate»), número de bits, paridad, bits de stop, etc. En el caso del maestro se almacena también la tabla de escla vos dados de alta en la red.
F ÍS IC A
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La codificación de datos dentro de la trama puede hacerse en modo A S C II o puramente binario, según el estándar R T U (Remóte Transmission Unit). Er> cualquiera de los dos casos, cada men saje obedece a una trama que contiene cuatro campos principales, según se muestra en la figura 15.5. La única di ferencia entre ambas formas de codi ficación estriba en que la trama A S C II incluye un carácter de encabezamiento («:» = 3 A „) y los caracteres C’R y L F al final del mensaje. Pueden existir también diferencias en la forma de cal cular el C R C , puesto que el fórmate R T U emplea una fórmula polinómic. en vez de la simple suma en module 16. Con independencia de estos pe queños detalles, a continuación se da una breve descripción de cada uno de los campos del mensaje: — Número de esclavo: (1 byte). Per mite direccionar máximo 63 es-
300
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A) EST A C IÓ N M AESTRA.
Número
N UM ERO E X IS T E N T F
FU N C IO N
0
♦
* Contador ficticio. La identificación 0 dirigida al con
( UNTADOR
tador de diagnóstico de un esclavo provoca la puesta a cero de sus contadores en el maestro y en el propio esclavo 1
1
4
63 (uno por
Cuenta número total de tramas enviadas Cuenta número de tramas enviadas por esclavo
esclavo) 5
1
9
63 (uno por esclavo)
Cuenta número de tramas de difusión Cuenta n" total de tramas por esclavo incluidas las difusiones y excluidas las de lectura de este contador
II) EST A C IO N ES ESCLAVAS. C O N TA D O R
F U N C IÓ N
N UM ERO 1
Número total de tramas recibidas sin error C R C , dirigidas o no a la estación
2
Número de tramas recibidas con error de C R C
3
Número total de órdenes recibidas del maestro que han dado lugar a res puesta de excepción
4
Número total de tramas dirigidas al esclavo excepto las de difusión
5
Número total de mensajes sin respuesta del esclavo (tramas de difusión)
8
Número de caracteres recibidos y no tratados
9
Este contador se incrementa por cada trama recibida e interpretada co rrectamente por el esclavo, incluidas las de difusión. Se exceptúan las ira-
y del propio sistema de co m unicaciones ( R U N / S T O P , carga y descarga de programas, verificación de contadores de intercambio, etc.) 1.a tabla 15.2 muestra la lista de funciones disponibles en el protocolo M O D B IJS con sus correspondientes códigos de operación. - Campo de sub/unciones/daios: (n byles). Este campo suele conte ner, en primer lugar, los pará metros necesarios para ejecutar la función indicada por el byte an terior. Estos parámetros podrán ser códigos de subfunciones en el caso de órdenes de control (fun ción ()(),,) o direcciones del primer bit o byte, número de bits o pa labras a leer o escribir, valor del bit o palabra en caso de escritura, etcétera. — Palabra de control de errores: (2 bytes). En código A S C II, esta pa labra es simplemente el C R C («checksum») del mensaje en mó dulo 16 expresado en A S C II (véa se apartado 14.10). En el caso de codificación R T U el C R C se cal cula con una fórmula pollnómica según el algoritmo mostrado en la figura 15.6,
mus de lectura del propio contador.
Tabla 15.1. MODBL'S: Cantadores de diagnóstico clavos con direcciones que van del 011, hasta el 3FM, El número Q0„ se reserva para mensajes difun didos. — Código de función: (I byte). Cada función permite transmitir datos
u órdenes al esclavo. Existen dos tipos básicos de órdenes: a) Órdenes de lectura/escritura de datos en los registros o en la memoria del esclavo. b) Órdenes de control del esclavo
Figura 15.5 MOI)BUS: Trama genérica del mensaje según el código empleado. l (3 A H ) a)
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D E SC R IPC IÓ N D E LA S FU N C IO N ES D E L PRO TO CO LO : Fundón 0: Esta función permite eje cutar órdenes de controi, tales como marcha, paro, carga y lectura de pro gramas de usuario del autómata. Para codificar cada una de ias citadas ór denes se emplean los cuatro primeros bytes del campo de datos. La trama re sultante es la representada en la figura 15.7 y la interpretación de los códigos de subfunción se da en la tabla 15.3. En caso de las órdenes de marcha y paro, el campo de «información» de la trama representada en la figura 15.7 está vacío y, por tanto, el mensaje se com pone simplemente de 6 bytes de fun ción más 2 bytes de C R C . La respuesta del esclavo a estas órdenes es un men saje idéntico al enviado por el maestro. Cabe señalar, además, que después de un paro el autómata sólo acepta eje cutar subfunciones de la función 0. En el caso de lectura y de carga de
AUTÓMATAS PJtO G RAM AftLiK
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D A TO S S U B F U N C IÓ N DO | DI
de! autómata. La trama es la indicada en la figura 15.11. Obsérvese que la petición indica el número de palabras a leer, mientras que en la respuesta se indica el número de octetos leidos.
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IN F O R M A C IÓ N
Figura 15.7. MODBUS: Trumu genérica de las subfunciones de contra1 de esclavos (código función 01),J. P e tic ió n
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función 6: Escritura de una palabra. La trama es la indicada en la figura 15.13.
E S C L A V O — * M A ES TR O
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XX= N"
¡■'unción 5: Escritura de un bit. La tra ma es la indicada en la figura 15.12. El direccionamiento del bit se efectúa tal como se ha indicado para las funciones I y 2
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C o n t e n id o de l a s e c u e n c ia
CR C ( 1 6 ) L 1 H
¡■unción 7: Petición de lectura rápida de un octeto. La trama es la mostrada en la figura 15.14. Obsérvese que la pe tición no tiene campo de dirección, esto es debido a que el octeto leíble por esta función es fijo en cada esclavo y viene fijado por una tabla de configuración.
s e c u e n c ia
Figura 15.H. MODfíUS: Petición y respuesta para un mensaje de LECTLHA DE USA SECUENCIA
R e s p u e s ta N* ESCLAVO ( 0 0 -3 F „ )
rundunes M y I I : Petición del con tenido de alguno de los contadores de diagnóstico de un esclavo (véase la ta bla 15.1). La función 8 controla todos los contadores excepto el número 9, que se controla por la función 11. Las tramas de petición y respuesta pueden verse en las figuras 15.15 y 15.16.
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M A E S TR O
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La (unción 8 dispone de varias subfunciones cuyas tareas se definen en la tabla 15.4.
XX = N * d e l a s e c u e n c i a YY= N 5 d e l a p ró x im a s e c u e n c ia ( o p c i o n a l ) ZZ= C ó d ig o de e r r o r 01 T r a n s m i s i ó n c o r r e c t a 02 E r r o r a u t ó m a t a - i n t e r f a z 03 D e f e c t o d e m e m o ria
I unción 15: Escritura de bits del au tómata. La trama es la indicada en la figura 15.17. La forma de direccionamicnto es análoga a la indicada para las funciones I y 2.
Figura 15.9. MODRVS: Petición y respuesta para un mensaje de CARCA DE UNA SECUENCIA 'Función 00,,1. Figura 15.10. MODBUS: Petición y respuesta para un mensaje de LECTURA DE BITS (Punción 01„ o 02J. P e t ic ió n N> ES C L A V O (0 0 - 3 F h ) PPP» B »
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Figura 15.11. MODBUS: Petición y respuesta para un mensaje de LECTURA DE PALABRAS (Función 03„ o 04„).
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Finura 15.12. MODBUS: Petición y respuesta para un mensaje de ESCRITURA DF. UN BIT (Función 05J
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M A E S TR O
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(h e x a d e c im a l)
Figura 15.13. MODBUS: Petición V respuesta para un mensaje de ESCRITURA DE UNA PALABRA (Función 0t>„).
Figura 15.15. MODBUS: Petición y respuesta para un mensaje de CONTROL DE CONTADORES DE DIAGNÓSTICO (Función 0H„).
Tabla 15.1. MODBUS: Subfunciones de control de cantadores de diagnóstico excepto N‘ 9 fFunción 08„l. SUBFUNCIÓN N" CÓDIGO
ESCLAVO
(1 6 ) H
Figura 15.11. MODBUS: Petición y respuesta para un mensaje de LECTURA RÁPIDA DF UN OCTETO (Función ti',,).
1
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X X X
P e tic ió n
DATOS no DI
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0
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00,,
XY„
ZT„
El esclavo envía el eco X Y Z T de lit petición. Permite efectuar un test de la transmisión
3
00,,
03„
7.7.o
oo„
Modifica el carácter de fin de (rama en modo A S C II. Por delecto LFlO A,,). ZZ = nuevo carácter
10
00,, 0 A „
oo„
oo„
Puesta a cero de contadores
II
00,,
0B„
00„
0O„
Lectura del contador 1
12
00„
0C„
00„
00„
Lectura del contador 2
13
00„
on„
00,,
00,,
Lectura del contador 3
14
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0E„
00„
00„
Lectura del contador 4
15
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00„
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Lectura del contador 5
18
00,,
12„
oo,,
00,,
Lectura del contador 8
304
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Función 16: Escritura de palabras de autómata. La trama es la indicada en la figura 15.18. Mensajes de error: Puede ocurrir que un mensaje se interrumpa antes de ter minar. Cada esclavo interpreta que e mensaje ha terminado si transcurre un tiempo de silencio equivalente a 3,5 ca racteres. Después de este tiempo el es clavo considera que el carácter siguien te es el campo de dirección de esclavo de un nuevo mensaje. Cuando un esclavo recibe una tram^ incompleta o errónea desde el punto de vista lógico, envía un mensaje de erro: como respuesta, excepto en el caso de mensajes de difusión. La trama de mensaje de error es la indicada en L¡ figura 15.19.
RCDKS 01 COMUNICACIÓN INOUimiALIS
P e tic ió n
M A E S TR O
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ESCLAVO
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Si la estación maestra no recibe res puesta de un esclavo durante un tiem po superior a un limite establecido de clara el esclavo fuera de servicio, a pe sar de que al cabo de un cierto número de ciclos hace nuevos intentos de co nexión,
E S C IA V O
00
| 00
15.3.3. Nivel de aplicación
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Figura 15.16. MODBUS: Petición y respuesta para un mensaje de CONTROL DF CONTADOR DH DIAGNÓSTICO NÚMERO 9 (Función OBJ. P e tic ió n
M A ES TR O
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N 6 DE B IT S
15.3.4. Variantes de MODBUS: JBUS
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de la p a la b r a b i t d e n t r o de
CR C ( 1 6 ) L J H
(h e x a d e c im a l) la p a la b r a O a F H
figura 15.17. MODBUS: Petición y respuesta para un mensaje de ESCRITURA DF BITS (Función OF,
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Como se ha dicho a nivel general de buses de campo, el nivel de aplicación de M O D B U S no está cubierto por un software estándar, sino que cada fabri cante suele suministrar programas para controlar su propia red. No obstante, el nivel de concreción en la definición de las funciones permite al usuario la confección de software propio para ges tionar cualquier red, incluso con pro ductos de distintos fabricantes.
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(16) H
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(h e x a d e c im a l)
Figura 15.15. MODBUS: Petición y respuesta para un mensaje de ESCRITURA DF. PALABRAS iFunción 10„). Figura 15.19. MODBUS: Trama de un mensaje de errar. R e s p u e s ta
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C Ó D IG O
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C Ó D IG O
F U N C IÓ N =
C ó d ig o
f u n c ió n
re c ib id o
C Ó D IG O
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01 C ó d i g o d e f u n c i ó n e r r ó n e o 02 D i r e c c i ó n i n c o r r e c t a 03 D a t o s i n c o r r e c t o s 06 A u tó m a ta o c u p a d o
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+ 80H
bros.me
JB U S es una designación utilizada por la firma A P R IL para un bus propio que presenta gran similitud con M O D B U S. E l motivo de mencionarlo aqui es el de poner de relieve precisamente esta gran similitud entre buses de dis tinta designación, con protocolos prác ticamente idénticos. La designación JB U S , de la misma forma que se dijo para M O D B U S , co rresponde a un protocolo de enlace más que a una red propiamente dicha. Pue de, por tanto, implementarse con cual quiera de las conexiones físicas nor malizadas. C O M PA RA C IÓ N E N T R E JB U S y M O D BUS. La arquitectura de la red, el formato general de la trama y muchos de los códigos de función de ambos buses coinciden exactamente. Existen, sin embargo, algunos códigos de función cambiados, otros que presentan lige ras diferencias o funciones añadidas. Como diferencias más relevantes cita remos las siguientes:
— En cuanto a arquitectura, JB U S tiene prevista un área de memoria R A M de 64 octetos donde alma cena una traza de las últimas tran sacciones y un registro de estado en cada estación que permite un diagnóstico de la estación. La fi-
I
'
0
' 1
i
E s ta d o
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0
i
del
T
T
H
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M
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a u tó m a ta
l C
K — —
MODO DE F U N C IO N A M IE N T O MM = 00 - P u e s ta a p u n to 01 - A u t ó m a t a e n PARO 10 - A u t ó m a t a e n MARCHA T IP O
CC =
H
O
—
i
O
H —
0
o
0
E s ta d o
—
M=1 C=1
1=1 E= 1 L=1
i M
l C
i
T I
E
de c o n f ig u r a c ió n
L — *
C o n f ig u ra c ió n c o r r e c ta D e fe c to de c o n f ig u r a c ió n D e fe c to in te rn o D e fe c to e x te rn o D e fe c to ló g ic o
DE AR R A N Q UE 00 - A rr a n q u e c o n l l a v e 01 - A r r a n q u e p o r c o n s o l a o V ia JB U S 10 - D e f e c t o o a u t ó m a t a en p ro q ra m a c ió n
Finura 15.20. JBUS: Begislro Je estado. gura 15,20 muestra el contenido de dicho registro. — E l número de esclavo para J B U S ( l. ‘r byte de la trama) permite va lores que van del 01Hhasta el F F „. Permite, por tanto, direccionar 255 esclavos en vez de 63. El número Q0„ se reserva igualmente para mensajes difundidos. — Las funciones disponibles son prácticamente las mismas en am bos protocolos, pero algunos có
digos de función (2 byte de la trama) y de las sublunciones no coinciden. La tabla 15.5 muestra la lista de las funciones básicas disponibles en el protocolo JB U S . Puede observarse que las funciones I a 7, la 15 y la 16 coinciden total mente. La función 8 es prácticamente idén tica, pero en el protocolo J B U S se añu den algunas sublunciones para puesta
Tabla 15.5. JBUS: Funciones básicas y códigos de operación. FUNCIÓN
CÓDIGO
1
o í,,
Lectura de n bits de salidas o internos
2
02„
Lectura de » bits de entradas
3
03,,
Lectura de n octetos de salidas o internos
4
04„
Lectura de ii octetos de entradas
5
05„
F-scritura de un bit
6
06„
Escritura de un octeto
7
07„
Lectura rápida de 8 bits
8
08„
Lectura y resel de contadores de diagnóstico
II
OB»
Lectura del contador de intercambios
12
oc„
Lectura del registro de traza
13
0D„
Control de estaciones esclavas:
T AREA
Dispone de sublunciones de paro/marcha, carga y lectura de programa, etc. 14
0 E„
Diagnóstico de la función 13
15
Ü F„
Escritura de n bits
16
I0„
Escritura de n octetos
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a cero de la traza y para Idrzar la des conexión de un esclavo de la red. La función 13 de J B U S realiza las mismas funciones que la función 0 en M O D B U S , aunque las tramas de pe tición y respuesta y las sublunciones no coinciden. P.l J B U S dispone de dos subfunciones adicionales (códigos 25 y 26). que permiten el acceso directo de la interfaz de bus a la memoria del autómata (da los y programa). J B U S dispone además de la función 12, que permite leer el bulTer de traza y de la función 14, que permite la pe tición del código de error en caso de transacciones incorrectas.
15.4.
B IT B U S
La designación B IT B U S correspon de. como se ha dicho, a una marca re gistrada por Intel, para designar un bus, cuyo protocolo está implenientado en R O M en el microcontrolador 8044 («firmware») y que actualmente la fir ma ha cedido a dominio público. La característica más destacable del bus es el hecho de ser síncrono, lo cual per mite la transmisión a velocidades y dis tancias prácticamente inalcanzables para otros buses. A pesar de no contar con el apoyo explícito de ninguna norma internacio nal, el B IT B U S cumple y supera en al gunos aspectos las especificaciones marco del comité TC65C-WG6 de IF.C Aparte de soportar el sistema de co municación vía serie, el firmware implemcntado en el 8044 soporta también un juego de instrucciones especifico para gestionar el intercambio de infor mación con periféricos de F./S a través de un simple F IL O que permite el ac ceso a 64 kbytes de memoria externa. Esto convierte, pues, al microcontro lador en el núcleo de una arquitectura de control distribuida, basándose en la cual Intel ha diseñado una serie de pla cas DC'M (Distributed Control M o dules) de interfaz con E/S digitales o analógicas y con otros buses como IBM -PC. VMF.. M U L T IB U S . etc 15.4.1. Estructura de la red M ED IO F ÍSIC O : La interconexión de nodos en el pro-
" k U
.
ftCDIS DI C< UNICAC:ió n INDUiIT» ________
locolo B IT B U S se realiza mediante uno o dos pares diferenciales trenzados con una pantalla común. Lino de los pares se utiliza para la linca de datos semidüple.x (RS-485) y. eventualmente, se utiliza un segundo par para la trans misión del reloj (en modo síncrono) o para conmutación de la linea en nodos repetidores (en modo autorreloj). La impedancia característica de cada par Irenzado debe ser de unos 120 Q y de ben usarse resistencias de este valor en las terminaciones, para evitar reflexio nes. La topología básica de la red es la de un simple bus lineal previsto para una estructura lógica del tipo maestro-es clavo. Sin embargo, a partir de un cier to número de estaciones o para distan cias grandes, pueden utilizarse repeti dores, a partir de los cuales se conectan estaciones esclavas, dando lugar a una estructura tipo árbol que se estudiará en detalle más adelante (figura 15.24). No obstante, y a pesar de su aspecto fisico en forma de árbol, este conjunto debe considerarse a todos los efectos como un solo bus con expansiones, que opera a una velocidad única. Obsérvese que no debe confundirse la estructura en árbol, donde los re petidores simplemente proporcionan una expansión del bus y regeneran la señal de datos, con la de buses ani dados, que consiste en que un nodo esclavo actúe a la vez de maestro de un bus de segundo nivel y un esclavo de segundo nivel actúe de maestro de otro bus de tercer nivel y así sucesi vamente, tal como muestra la figura 15.21. Para esta configuración, cada red maestro-esclavo debe ser considerada como un bus independiente, maneja direcciones propias y admite que los buses de distintos niveles operen a dis tintas velocidades. Hay que señalar también que la to pología tipo árbol no admite la trans misión de la señal de reloj y requiere, p o r tanto, ta transm isión en m odo autoreloj como se verá más adelante. Las velocidades, distancias de trans misión y número de nodos posibles en la red dependen de cada una de las configuraciones. Un resumen de las ca racterísticas principales de la red se in dica en la tabla 15.6. El estándar B IT B U S especifica tam bién las características mecánicas de los
• * X -J. •
'
-
..
•
MAESTRO BITBUS (1*r mvell
ESCLAVO
ESCLAVO
E S O AVO
ESCLAVO
MAESTRO
MAESTRO B IT B U S (2°m vel)
ESCLAVO
Íesc la v o !
ESCLAVO
I________ I
rfAESIRC BITBUS (3
nivel]
Uguru 15.21. BITBUS: Estructura de huses independientes anidados. conectores. Para la red. dichos conectores son los de tipo subminiatura D9. Asimismo se especifica que las placas de interfaz para los D C M (Distributed Control Modules) se conectarán me diante un cable plano con un conector de 10 vias. IN T E R F A Z D E C O M U N IC A C IO N ES: Como se ha dicho, el núcleo de la interfaz de comunicaciones B IT B U S es el microcontrolador 8044. La descrip ción completa de este dispositivo seria excesivamente extensa para el propó sito de este texto, por lo que remitimos al lector a la referencia [2]
No obstante, en los párrafos siguien tes indicaremos los bloques básicos en que se basa la arquitectura de la red y las distintas formas de sincronización posibles. Bloques básicos de un nodo B IT B U S : El elemento básico de la arquitectura B IT B U S es el nodo. Un nodo es cual quier dispositivo que contenga al me nos una interfaz con el bus. Dentro de un nodo B IT B U S podemos encontrar cuatro lipos de bloques básicos: Bloque maestro. Este bloque permite controlar el acceso a un bus de cual-
Tabla 15.6. BITBUS: Características generales. MODO
N" MAX. DE NODOS 28
N" MÁX. DE REPETID O RES
VELOC BITS/S
DISTANCIA MÁX. m
N IN G U N O
62,5 k
1200
N IN G U N O
375 k
10
62,5 k
MODO
[ A OTORELO J
N" DE PARES TRENZADOS 1
300
1
1200
2
entre
í repetidores, 14800 mas
250 2
375 k
/
300 entre
2
repetidores. 900 max MODO S ÍN C R O N O
28
No Posible
D3i
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500 k a 2,4 M
30
2
quier nivel mediante un simple me canismo de pregunta-respuesta con los esclavos de dicho nivel. En general, existe un solo maestro en cada nivel de bus (maestro fijo), aunque puede impJementarse una estructura de maestro flotante (desaconsejada por Intel). Bloque esclavo. Cualquier bloque controlado por un maestro, por tanto sin capacidad de transmitir por inicia tiva propia, es un bloque esclavo. Su función suele ser la de enlazar con un bloque de expansión de E/S. Bloque repetidor. Un repetidor es un bloque utilizado simplemente para re generar la señal de datos del bus (no el reloj). Los bloques repetidores dis ponen de una interfaz, que permite con mutar el sentido de la transmisión en el bus semidúplex (ver la figura 15.26). Bloque de expansión de E/S. Este blo que constituye la interfaz con el pro ceso y puede consistir en simples en tradas o salidas analógicas o digitales o dispositivos más complejos como ban cos de memoria, discos, etc.
Un nodo de B IT B U S puede conte ner uno o varios de los bloques citados anteriormente. Así, por ejemplo, el nodo maestro de nivel I puede con tener expansión de E/S o no y un nodo esclavo de nivel I puede contener un bloque maestro para gestionar una red de nivel 2. SIN C R O N IZ A C IÓ N D E B IT S: Existen dos modos posibles de sin cronización de bits, que condicionan en cierto modo la estructura tísica de la red y la forma de codificación de bits. a ) Modo síncrono: En este modo se transmiten los datos a través de un par trenzado y el reloj me diante otro par adicional; se pre cisan, por tanto, siempre dos pa res trenzados. No se admiten re petidores y la estructura del bus es, por tanto, puramente lineal con un esquema de conexión como el que muestra la figura 15.22. El esquema de la interfaz para un nodo síncrono cualquiera es el que se muestra en la figura 15.23.
M A EST R O DATOS
R ELO J P a r D<. D
i_____
Par C L K *,C LK -
DATOS
R EL O J
ESC LA V O
0A10S
R ELO J
ESC1 AVO
“T “ I I I r 1----- 1- i
¡ ESC LA V O I
I__________ I
Figura 15.22. BITBUS: Conexiones en modo síncrono. b) Modo autorreloj: En este modo cada nodo genera su propio reloj, sincronizando con la linea de da tos. Para ello los datos se codi fican en formato NRZ1. Para bu ses hasta 28 nodos no se requie ren repetidores y la transmisión se efectúa mediante un único par trenzado y apantallado. Para más de 28 nodos debe incluirse algún nodo repetidor para expansión del bus, formando lo que hemos lla mado una estructura en árbol. Las derivaciones a partir del repetidor requieren una línea de control (R T S+ y R T S —) además de la lí nea de datos y, por tanto, utilizan dos pares trenzados. Las conexio nes en una red combinando no dos de los distintos tipos pueden verse en la figura 15.24.
La figura 15.25 muestra el es quema de base de la interfaz de bus para un nodo en modo au torreloj. El par de control RTS(- e ), R T S (—) no se conecta en el caso de utilizar el nodo directamente unido al bus del maestro, pero debe utilizarse en caso de nodos conectados a través de repetido res. Dicho par de control permite invertir el sentido de transmisión de datos del repetidor cuando al guno de los periféricos envía da tos hacia el bus maestro (véase esquema del repetidor en la fi gura 15.26). Obsérvese que es el propio es clavo el que se encarga de con mutar la línea semidúplex cuando debe emitir una respuesta.
Figura 15.22. BITBUS: Interfaz típica para modo síncrono.
. P o r de _ . | ciaios
Datos s e n e -
0
C o n tró l de transm isión/ ~ recep ció n
-CLK+1
5eñal de relo j-
r
- C LK - J
Geneȟdor de reloj
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Par de f
REDES Di COMUNICACIÓN INDUSTRIALES
m aestro
DATOS B U S MAESTRO
C
DATOS M At-SH V
ESCLAVO
d a to s
1
DATOS
1 ESCLAVO 1
REPETIDOR
RERE TIDOR E/S
DATOS
CONTROL
D+
R7S +
D-
RTS-
L
E' s
DATOS
J
EXPANSION DEL
DATOS E/S
Bus
ESCLAVO
EXPANSION OEI B U S
DATOS E/S
CONTROL
ESCLAVO CON T ROI
CONTROL
DATOS E/S
ESCLAVO CONTROL
DAT05
CONTROL
REPETID O R DATOS
D+ D-
CONTROL RTS + RTSEXPANSIÓN
DEL
BUS
Figura 15.24. BITBUS: Estructura en árbol. Conexión de los segmentos de expansión. ESTRU C TU RA LÓ G IC A : B IT B U S se basa, como se ha dicho, en una estructura lógica del tipo maes tro-esclavo; por tanto, no admite el diá logo directo entre dos esclavos sin pa sar por el maestro. La comunicación se establece siem-
prc por iniciativa del maestro y se basa en pares de mensajes del tipo preguntarespuesta o del tipo orden-reconoci miento. Asi pues, tanto el acceso al me dio (M A C ) como el enlace lógico (L L C ) están enteramente bajo el con trol del maestro.
Figura 15.25. BITBUS: Interfaz para modo auiorreloj. - °n Dolos s e n e -
-0-J
Por de datos
Control de Transmisión/" recepción
-RT5USA RT c o n tro l
-RT5
Par de control
Vanames: Existe también la posibi lidad de implementar una estructura del tipo maestro flotante por paso de testigo, pero esta posibilidad debe ser gestionada por un protocolo propio del usuario y no es aconsejada por Intel, ya que ni el protocolo ¡mplementado en RO M ni el software estándar para B IT B U S la soportan.
15.4.2. Protocolo Para controlar el tráfico de mensajes c intercambiar datos y estados entre maestro y esclavos se utiliza una trama cuyas características se detallan a con tinuación: C O D IFIC A C IÓ N : En modo síncrono, la codificación de bits se realiza mediante el procedi miento N R Z (0 y 1 representados por niveles). En modo autorreloj se utiliza la codificación N R Z I (Los ceros se re presentan por un cambio de nivel y los unos por un no cambio de nivel). Véanse las definiciones de estos tipos de codificación en el capitulo 14. A nivel de byte. el protocolo utiliza un juego reducido del protocolo S D L C (Synchronous Data Link Control) de IB M . El protocolo S D L C inserta au tomáticamente un cero después de cin co unos consecutivas, por lo que esto combinado con la codificación de bit por N R Z I permite una sincronización del reloj en el receptor en modo au torreloj como mínimo cada 6 bits. El controlador 8044 proporciona la inser ción y eliminación automática de ceros del protocolo SD LC . TRAM A D E L M E N S A JE : En cuanto a los mensajes, la trama básica en un intercambio punto a pun to es la que se representa en la figura 15.27. Dicha trama se compone de en tre 6 y 255 bytes. Los contenidos de cada campo y sus significados se de tallan a continuación: FEA G: El mensaje contiene un carácter de encabezamiento y uno de final de men saje conocidos como « F L A G » . El valor de estos caracteres es fijo e igual a 7En. D IR EC C IÓ N ESC EA VO: Tanto en los mensajes de petición
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AUTÓMATAS
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prendidas entre 7 y 20 deben ser acep tados por cualquier dispositivo que se diga compatible con el estándar. 2" Carácter: Los cuatro bits bajos de este carácter están reservados para fu turas ampliaciones. Los cuatro bits al tos tienen el siguiente significado: M T (M essan e T yp e): 0 = O rd en ; l= R e sp u e sta .
S E (Sonríe Extensión): Indica si la fuente de una orden o el destino de una respuesta es el bloque maestro (0) o el bloque de expansión de L/S de éste (I). D E (Destination Extensión). Indica si el destino de una orden o la fuente de una respuesta es el bloque esclavo (0) o el bloque de expansión de E/S de éste (1). TR (1'rin k) 0—Mensaje de maestro
Tabla 15.7. Hit tu S: Distintas Junciones codificadas en el campo de control de lu tramo. Ft INC1ÓN (Nenian icol
TIPO l) l: TRAM A
SN RM Sel Normal
Control
Response
M -* E
CÓDIGO (Campa de control)
TAREA
93o
Orden al esclavo de pasar al estado de respuesta normal (N R M )
Mode D IS C Disconnect UA llnnumbered Acknowl. FRM R Franie Rejccl
Control M — E Control E -
M
Control E — M
RR Superv. Recelver Ready
53,,
Orden al esclavo de pasar al estado de desconexión (N D M ) Respuesta del esclavo al recibir una or
53,,
den válida cuando está en estado de des conexión (N D M ) Respuesta de un esclavo a una orden in
97„
correcta estando en estado norm al (N R M )
R R R I0 n ()lM
R R R = N" de secuencias anteriores rceihidas con A C K
M — E
Utilizada por el maestro como consulta (polling)
Superv.
Respuesta del esclavo indicando recep ción correcta de consulta cuando no tie
E — M
ne datos que transmitir R R R ^ N " de secuencias anteriores re cibidas con A C K
RNR
Superv. M
R K R 10101 i,
— F
Utilizada por el maestro como Irania de tesi El esclavo puede responder con R R o RNR
Receivcr Not Ready
Superv. E — M
Respuesta del esclavo indicando recep ción correcta de una trama pero no pue de aceptarla por tener el bulfer lleno R R R ■= N" secuencias ant. con A C K
Inl'orm. 1
R R R IE E E O ,,
F.F.E = N " de secuencias enviada Tramas normales de intercambio de in
M — E
formación (no órdenes) F.n cada trama los N d e see. son com
E — M
probados para detectar la pérdida o du plicación de una trama u error de trans
Información
misión NO TA; Sillo las inirnas ! contienen el campo de información de la trama
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a esclavo; l=Respuesla de esclavo a maestro, 7 hits rewrvatlos: Previstos para fu turas ampliaciones. Deben ponerse a 0 al enviar el mensaje. Dirección esclavo (3" Carácter): leste campo coincide con el segundo bvte de la trama (valor entre I y 250). Coililicacion tic larras (4 ' Carácter): LI protocolo deja abierta la posibilidad para que el usuario o el fabricante de dispositivos compatibles con B IT B U S pueda definir funciones propias de su aplicación. Para ello permite definir hasta 16 tareas o funciones, cada una de las cuales puede tener, a su vez, las subfuncioncs que sean necesarias. El 4" carácter del campo de información per mite codificar estas tarcas, tanto en el dispositivo fuente como en el destino del mensaje; para ello está dividido en dos mitades; Tarea fuente (4 bits altos): Identifica la tarea que ha generado una orden o que debe recibir una respuesta. Tarea destino <4 bus bajos): Identifica la tarea que debe recibir una orden o que ha generado una respuesta.
El protocolo iniplementa sólo como parte estándar la tarea 0, dejando otras 15 a disposición del usuario o fabri cante. Dicha tarea 0 es conocida como R A C (Remóte Access and Control) y proporciona una serie de funciones de alto nivel, que se suponen mínimas en cualquier dispositivo compatible con B IT B U S . La tabla 15.8 muestra una lis ta de las funciones estándar soportadas por la tarea 0. Tareas usuario/errores (3" Carácter) En los mensajes que impliquen órde nes de maestro a esclavo, este campo contendrá, en general, los datos nece sarios para las subfunciones definidas por el usuario. En los mensajes de res puesta el campo está previsto para la codificación de errores. Los errores mí nimos estándar soportados por el pro tocolo son los indicados en la tabla 15.9. Datos (Caracteres 6. 7 y siguientes): Los caracteres 6 y 7 del campo de in formación están libres para uso gene ral. pero deben existir en cualquier tra ma que contenga campo de informa ción.
c ó d ig o
TIPO
OQ,i
Control
Reset esclavo
«tu
Control
Llam ar tarea programada en un esclavo
D2,,
Control
Finalizar tarea
03,,
Control
TAREA
Obtener idenlilicador de función. Obtiene puntero de la función
04,i
Control
1labililar/deshabililar resto de tareas (excepto R A C ) en un esclavo
05„
Acceso
Leer 1 byte de E/S
0Ó„
Acceso
Escribir 1 byte de E/S
07,,
Acceso
Actualizar lincas de E/S
08,,
Acceso
Leer n bytcs de la memoria del esclavo
09,i
Acceso
Cargar n bytes en memoria del esclavo
0A„
Acceso
Operación O (O R ) con byte de E/S
0B„
Acceso
Operación Y (A N D ) con byte de E/S
0C„
Acceso
Operación O-exclusiva (X O R ) con byte de E/S
0D„
Acceso
Leer registro de estado
0E„
Acceso
Escribir registro de estado
0 F „ a BF,,
-
Funciones reservadas por IN T E L
C0|, a F F „
-
Funciones definidas por el usuario
Tabla 15.S. BITfWS; Fundones estándar de la tarea O (RAC) del protocolo. Tabla 15.9. B/TBUS: Códigos de error estándar soportados por el protocolo. C Ó D IG O
00„ 01,, a 7 F„
KRRO R
No error (detectado por el programa del usuario) Tabla de errores definidos por el usuario
80„
N o se encuentra la tarea de destino
81„
Imposible iniciar tarca sin finalizar otra
82„
Imposible crear tarea por falla de banco de registros
83„
Solicitud de tarea ya activa
H,
Imposible iniciar tarea por falta de memoria
85„ a 90,,
Reservado por Intel
91,,
Error de protocolo
92,,
Reservado por Intel
93„
E l nodo de destino no responde
94,,
Reservado por Intel
95„
Tareas deshabilítadas por R A C
% „
Orden R A C desconocida
97,, a F F „
Reservado por Inte!
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R EG IST R O S D E ESTAD O )' CONTA D O R ES D E S E C U E N C IA : Para gestionar el nivel de cniaee (L L C ). el maestro debe conocer el es tado de cada uno de los esclavos. Para ello, cada esclavo tiene un registro de estado que es periódicamente leído y guardado en una tabla por el maestro. Cada esclavo dispone, además, de un contador de intercambios que es com probado a cada intercambio (excepto los de control) y permite detectar cual quier error de interpretación o pérdida de una trama. El maestro mantiene una tabla con los registros de estado y los contadores de intercambios de todos los esclavos. Un esclavo puede tener dos estados posibles: N R M (Normal Rcsponse Mode). Un este estado un esclavo puede inter cambiar normalmente mensajes con el maestro. ND M (Normal Disconnect Mode). Se trata de un estado de paro en el que el esclavo no puede intercambiar mensajes con el maestro. U n esclavo se pone en este estado después de un reset o cuando detecta un error de sincronización o una trama que no puede interpretar. Para pasar al modo N R M se requiere una inicialización por parte del maestro.
La permanencia en estos estados o la transición entre ellos depende de las órdenes del maestro y de que la co municación tenga lugar sin errores (fi gura 15.29). El estado inicial de un es clavo después de un reset es siempre NDM.
15.4.3. Nivel de aplicación Lógicamente el nivel de aplicación (O SI 7) no puede estar completamente definido en un protocolo que pretenda ser abierto. Debe quedar siempre un nivel suficiente de flexibilidad para que el software permita el control de dis positivos con funciones muy diversas y propias de cada aplicación. Así pues, el protocolo se ocupa únicamente de establecer formas estándar de diálogo; pero, según se ha visto, se dejan una serie de funciones definibles por el fa bricante o por el usuario. En conse cuencia, no puede hablarse de un pa-
Toolbox Software). Dado que el 8044 es un microcontrolador basado en la arquitectura 8051, se ofrecen también paquetes de software tales como com pilador PL/M 5 I. ensamblador A S M 5 I. emuladores y otras herramientas bási cas para el desarrollo de productos compatibles.
R E SE T
15.5. PROFIBUS
Figura 15.29. BITBUS: Gráfico de estados y transiciones de un esclavo.
quete de software cerrado que permita al usuario final comunicar con cual quier dispositivo compatible con BITB U S, sino de paquetes de software abiertos, apoyados con librerías están dar, que son utilizados por los fabri cantes de dispositivos para crear sus propios paquetes de software. Intel tiene previstas estas librerías básicas, que gestionan el nivel de apli cación basándose en las órdenes bási cas de RA C , dejando una serie de có digos libres para que el usuario pueda implementar sus propias órdenes par ticulares de cada sistema. Aparte de este nivel de soporte muy básico, la propia Intel y otras firmas fa bricantes de módulos compatibles BITB U S, ofrecen una serie de placas de expansión de E/S conectables al bus, otras de interfaz con otros buses y pa quetes de software para su configura ción y control.
15.4.4. Aplicaciones industriales basadas en BITBUS Son ya varios los fabricantes que ofrecen módulos compatibles con BITB U S , aparte de la propia Intel. Como ejemplos citaremos los siguientes: Adicon, Analog Devices, Eberle, Fanuc Robotics (G E ), Hitachi, Honeywell, Phoenix (IN T E R B U S - C y multiplexor IN T ER B LIS- S). Trenan. Weslinghouse, etcétera. Como productos de soporte proce dentes de la propia fuente, podemos mencionar las placas de Intel conocidas como « B IT B U S Distributed Control Modules» (la más Interesante quizás es la placa de interfaz con IBM-PC’ co nocida como ¡P C X " 344). En el apar tado de software de soporte al desa rrollo Intel ofrece el paquete conocido con el nombre comercial de ¡ R M X “ 510 iD C M (Support Package and B IT B U S
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En el año 1987. las firmas alemanas Bosch, Klockner Moeller y Siemens iniciaron un proyecto de desarrollo de una arquitectura de comunicaciones in dustriales que permitiera la intercone xión de equipos de distintos fabrican tes, Esta fue la base de un grupo de trabajo al que se integraron otras gran des empresas tales como A B B . A E G , Landis&GIr. etc., algunas universida des y organizaciones técnicas estatales, entre ellas la propia V D E y el Minis terio Federal de Investigación alemán. Se formaron varios grupos de tra bajo, en distintas áreas, cuya tarea esencial fue la de desarrollar un sistema abierto de comunicaciones apto para integrar desde los sencillos transduc tores y elementos de campo, pasando por los autómatas, controles numéricos hasta llegar al nivel de los miniorde nadores para diseño y gestión de la pro ducción. En los niveles de red jerárquicamen te más altos se decidió adoptar la red M A P , con lo cual el objetivo era sólo el diseño de un bus de campo con una estructura abierta y un protocolo com patible para enlazar con M A P . El re sultado de estos desarrollos fue el pro yecto de norma DIN-19245, parte 1, que define las técnicas de acceso (M A C ) y enlace lógico (L L C ) y la parle 2 que define el nivel de aplicación a través del protocolo denominado F M S (Fieldbus Message Specification) basado en un subjuego del protocolo M M S de M A P , según ISO 1S-9506. A partir del año 1990 se abrió la po sibilidad para cualquier usuario o em presa de integrarse en un consorcio de nominado P R O F IB U S Nutzerorganisation |1], que a través de diversos co mités sigue desarrollando y dando so porte al nivel de aplicación y certifi cación de productos acordes con la nor ma DIN-19245.
Sin lugar a dudas puede decirse que P R O F IB U S intcnla definir toda una red de comunicación industrial, desde el nivel fisico hasta el de aplicación, lina de sus virtudes estriba en el hecho de aplicar e integrar al máximo las técnicas de comunicación previamente defini das y consolidadas en algunas normas, tales como el propio modelo O SI (IS O 7498). la 1*1A RS-485 (IS O DP8482) a nivel fisico, la IF.C 955 a nivel de enlace lógico (M A C y I.I.C ) y la propia ISO IS-9506 a nivel de definición de tele gramas ( IM S ) . Sin embargo, tiene por el momento un grave inconveniente que es la poca disponibilidad de infor mación en inglés, que dificulta su di vulgación a nivel de fabricantes no ger manos.
BUS
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Finura 15.30. PROFIRl/S: Estructura física incluyendo repetidores para expansión del bus.
Activos: Son nodos que pueden ac tuar como maestro del bus, tomando enteramente el control del bus. Pasivos: Son nodos que únicamente pueden actuar como esclavos y, por tanto, no tienen capacidad para con trolar el bus. Estos nodos pueden dia logar con los nodos activos mediante un simple mecanismo de pregunta-res puesta, pero no pueden dialogar direc tamente entre sí.
Aparte de estos dos tipos de nodos existen otros dos bloques esenciales en la arquitectura:
VELO C ID AD (khiis/sl 9.6-93,75
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(24 A W G )
(20 A W G )
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P a s iv o s
Tabla 15.10. PROFIBUS: Distancias máximas sin repetidor, según el medio físico.
F. óptica cuarzo
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E LE M EN T O S D E L B U S: F.l elemento esencial del bus es el nodo. P R O F IB U S prevé la existencia de dos tipos de nodos:
RS-485 0.5J
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L_ .
M ED IO F ÍSIC O : F,l medio de interconexión de las es taciones en P R O F IB U S suele ser un simple par diferencial, previsto para co municación semidúplex, tipo RS-485, aunque puede también implementarse con enlaces de fibra óptica y enlaces con estaciones remotas via M O O E M o via radio. Las distancias de transmisión según el medio fisico se indican en la tabla 15.10. Las posibles topologías son muy similares a las estudiadas en apar tados anteriores.
RS-485 t).2‘
AV 1 T—
15.5.1. Estructura de la red
M ED IO FISICO
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Expansiones de E/S: Este tipo de blo ques constituyen la interfaz con las se ñales de proceso y pueden estar inte grados tanto en un nodo activo como en un nodo pasivo. Repetidores: Los repetidores ejecutan el papel de simples transccplores b¡direccionales para regenerar la señal (por ejemplo tipo S N -75136). Su dife rencia esencial con los estudiados en el caso del B IT B lf S es que no se requie ren señales de control (RTS+ . R T S —) para conmutar el sentido de la línea de datos, ya que el sistema de codificación en P R O F IB U S es del tipo N R Z (por niveles) y las velocidades son más ba jas. TO PO LO G ÍA: La topología puede ser simplemente en forma de bus lineal o en forma de árbol, en el que los repetidores cons tituyen el nudo de partida de una ex pansión del bus (figura 15.30). Nótese que, en este caso, la estruc tura en árbol es puramente una im presión de dibujo, ya que, como se verá, el P R O F IB U S admite una es tructura lógica de maestro flotante y una estación activa, ejerciendo el papel de maestro, puede estar físicamente co nectada a lo que se pudiera considerar una expansión del bus. Por tanto, in cluso en caso de ramificaciones debe
considerarse corno un bus único. Ob sérvese, por ejemplo, que en el caso del B IT B U S tiene más justificación el lla marle árbol al existir un maestro único que identifica el bus maestro y dado que las ramificaciones quedan perfec tamente identificadas por la presencia del par de control RTS( + ). R T S (—). El número máximo de nodos co ncebibles a cada tramo del hus, sin ne cesidad de repetidores es de 32. A elec tos de esta limitación los propios re petidores cuentan como un nodo. Fl número máximo de nodos del bus es de 127, de los cuales un máximo de 32 pueden ser nodos activos. No existe ninguna limitación en cuanto a poder configurar una estruc tura con buses anidados (un esclavo puede ser, a su vez, maestro de otro bus de nivel inferior), aunque deben considerarse como buses independien tes, dado que el protocolo no permite direccionar desde arriba las estaciones de niveles inferiores. ESTRU C TU RA LÓ G IC A : La estructura lógica es de tipo hí brido: las estaciones activas comparten una estructura de maestro flotante, re levándose en el papel de maestro me diante paso de testigo. Las estaciones pasivas sólo pueden ejercer el papel de esclavos, sea cual sea el maestro activo en cada momento. La figura 15.31 ilus tra esta estructura. Naturalmente esta estructura admite la posibilidad de que exista un solo nodo activo en el bus, con lo que se convertiría en un bus con una estruc tura del tipo maestro-esclavo. Cabe señalar que cuando una esta ción activa posee el testigo, considera a todas las demás como esclavos, in cluyendo también al resto de estacio nes activas que no poseen el testigo en aquel momento.
15.5.2. Protocolo
jidad. Esta complejidad se resuelve uti lizando un «lenguaje orientado a ob jetos», que permite el direccionamicnto de «dispositivos virtuales» (variables, arrays, bases de datos, etc.) a través de punteros, en vez de direccionar direc tamente áreas de memoria. Explicar aquí con detalle todos los aspectos del protocolo requeriría una extensión excesiva para este texto, por
lo que remitimos al lector a la fuente, la norma D IN 19245, En este apartado nos limitaremos a dar una visión ge neral de las funciones y servicios eje cutables y a recordar que, en líneas ge nerales, son idénticos a los empleados en el protocolo M IN IM A P . que estu diaremos en el apartado 15.8. F.I protocolo P R O F IB U S establece las reglas de la comunicación desde el
Finura !S.}2. I’KOFIÍII S: Distintos formatos tía trama.
T I P O DE D IR E C C IÓ N D E S T IN O TR AM A
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La trama admite tres tipos de for mato que se indican en la figura 15,32: tramas de longitud fija sin datos, tra mas de longitud fija con datos y tramas de longitud variable. La interpretación de dichas tramas es algo compleja debido a la variedad de tipos previstos para dar servicio a dis positivos con distinto nivel de comple
e n ca b e za m i e n to
D IR E C C IÓ N D E S T IN O
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REDES O I COMUNICACIÓN INDUSTRIALES
Mensajes acábeos: Estos mensajes permiten acortar el tiempo de respuesta de los datos críticos. A cada turno de maestro se puede enviar un mensaje de difusión conteniendo los valores críti cos de todos los esclavos. La lista de es os valores es conocida por todas las es.aciones maestras en una tabla. Los mensajes pueden ser de dos tipos: C RD R (Cyclic Request Data vvith Rcply). C S R P (Cyclic Send and Request Dala).
P a rá m e tro s PARAM .
IN D E X
VALORES PA R A M E TR O S J
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T e le g r a m a
P a rá m e tro s PARAM .
IN D E X
15.5.3. Aplicación La capa de aplicación ofrece una se rie de servicios orientados a la cone xión de dispositivos de distinta Índole. Estos servicios, denominados F M S son un subconjunto de las funciones M M S propias del nivel de aplicación del M A P . con lo cual se pretende garan tizar la fácil integración del bus de cam po en la estructura de automatización jerárquica, utilizando como bus jerár quicamente superior el M AP. Como hemos dicho, el nivel inferior de la capa de transporte se denomina L L I (Lower Layer Interface) y juega el
D a to s
P A LA B R A DE CO N TR /ES TA D O 10
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C O N S IG N A 0 V ALO R
P A LA B R A S U S U A R IO I L 1
p a la b r a s
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VALORES PA R A M ETR O S i
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La petición de estos mensajes se rea liza mediante un telegrama especial de difusión, que contiene de forma en cadenada las peticiones a todos los es clavos (ver en la figura 15.34 el formato de estos telegramas). Las respuestas se producen de forma escalonada me diante una instrucción de lectura rápida en cada uno de los esclavos, pero sin tener que esperar el tiempo de proce samiento de la orden, puesto que la pe tición se hizo ya anteriormente me diante el mensaje de difusión. La figura 15.35 muestra esquemáticamente uno de estos ciclos. L.as tramas de los telegramas admi ten, como se ha dicho, formatos muy diversos, dependiendo del tipo de apli cación. Dentro del consorcio de usua rios de P R O F IB U S se han formado di versos grupos de trabajo que desarro llan los detalles del protocolo para dis tintos campos de aplicación. Así, por ejemplo, la figura 15.36 muestra varias tramas normalizadas en el campo de los accionamientos (regulación de ve locidad, temperatura, etc.)
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P A LA B R A DE C O N TR /ES TA D O
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C O N S IG N A 0 V A LO R
P A LA B R A S U S U A R IO i_ i i
r e s u m id o s
Figura IS.36. PROFtBUS) Distintos formatos fe telegramas de difusión cíclica normalizados para la técnica de los accionamientos. papel de interfaz con la capa de enlace, a través del l'M A supliendo algunos de los servicios propios de las capas de transporte y sesión. El L L I ofrece los siguientes servicios: Control de Unjo: Sustitución de la capa de transporte. Trabaja a través de un turno cíclico de intercambio de da tos entre elementos de la tabla de dis positivos virtuales. Establecer y terminar canes iones: Sus titución de la capa de sesión. Conversión tle las funciones FD L a FM S: Conversión de las funciones F D L (Ficld Data Link) a F M S (Field bus Message Specification).
Pura poder diseñar una capa de apli cación independiente de los dispositi vos físicos conectados al bus, PROFIB U S utiliza, como hemos dicho «dis positivos virtu ales» ( V F D , V irtu a l Fieldbus Devices). La idea se basa en crear un soporte «orientado a objetos».
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Esto significa que el nivel de aplicación se encarga sólo de encadenar una serie de tareas, manejando para ello varia bles, vectores («arrays»), estructuras y bases de datos («records»), pero es in capaz de interpretarlas. La interpreta ción y los datos necesarios para su tra tamiento están contenidos en el propio «objeto». Los servicios básicos ofrecidos por F M S son los que a continuación se ci tan: 1) Intercambio de zonas de memoria: Transferencia y carga de progra mas o bloques de dalos. 2) Invocación de programas: Crea ción y cancelación de tareas, paro y marcha de estaciones, reset. .1) Intercambio de variables: Lectu ra/escritura de variables de tipo bit, byle, palabra! 16), matrices y estructuras. 4) Tratamiento de eventos (Interrup ciones) Notificación y reconoci-
miento de alarmas, mensajes de alarma, etc. 5) Tratamiento tle dispositivas virtua l e s ( V F D ) : Identificación, estados, configuración y control de la red. 15.5,4. Algunas redes industríales basadas en P R O F IB U S El estándar P R O F IB U S está adqui riendo una aceptación creciente, prin cipalmente en Alemania, pero su grado de implantación es menor a nivel de otros países europeos y casi irrelevante a nivel de fabricantes japoneses. Aun asi, fabricantes como A B B . A E G , Bauer. Danfoss. Klóckner Móeller (red S IJC O N F T P). Phoenix (Interbus-C), Siemens (red S IN E C L2). W cidm üller y otros ofrecen ya pro ductos compatibles y exhibiciones con juntas tendentes a demostrar que la red es capaz de integrar y gestionar pro ductos de diferentes marcas bajo un bus de comunicaciones gestionado con un software único,
15.6. M U L T IP L E X O R E S D E E/S La gran cantidad de señales de F./S que deben cablearse hacia la unidad central hacen que muchas veces el ca bleado se convierta en un problema. Dicho problema es especialmente gra ve y costoso en el caso de procesos dis tribuidos en una planta de gran exten sión, como en el caso de la industria química, petrolífera o incluso en la pro pia industria del automóvil. Para re solver este problema algunos fabrican tes tradicionales de bornes y medios de conexión (Ph o en ix . W e id m ü lle r y otros) han desarrollado lo que se po dría llamar «cajas de conexión multiplexadas». La idea básica consiste en situar cajas de conexión «inteligentes» para señales digitales o analógicas allá donde se ge neran las señales de proceso, es decir, lo más próximas posible a los sensores y actuadores. Estas cajas de conexión inteligentes se enlazan entre si con un módulo de comunicaciones y las se ñales de todas ellas se transmiten multiplexadas en el tiempo a través de uno o dos pares trenzados hacia el lugar donde se encuentra ubicado el equipo de control. En el propio armario del
equipo de control se sitúa un módulo dcmultiplexor con entradas y salidas directamente conectables al A P I u or denador de proceso La figura 15.37 muestra un esquema de conexión de E/S analógicas o digitales a través de lo que aquí llamaremos un Multiplexor de E/S. Obsérvese que el concepto es bas tante más simple que el de un bus de campo, ya que lo único que se consigue es una reducción del cableado, pero las señales que entran al A P I, por ejemplo, siguen siendo binarias o analógicas. A l gunas veces se ofrece la posibilidad de sustituir el multiplexor/demulliplexor del lado del autómata por una cone xión directa a un canal de comunica ciones del mismo, pero entonces habría que hablar ya de un verdadero bus de campo. Así pues, la verdadera diferen cia entre ambos estriba en el hecho de que el multiplexor de E/S no requiere ningún software de soporte ni exige, por parte del usuario, manejar ningún tipo de protocolo. Se trata de un sis tema que podríamos llamar «transpa rente a nivel físico», dado que el usua rio cablea en un extremo las señales
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necesarias y las recupera en el otro ex tremo. Por tanto, a todos los efectos, incluyendo el direccionamiento de E/S del autómata, es como si los sensores y actuadores estuvieran junto a los ter minales de entrada de dicho autómata. Lógicamente el empleo de esta so lución requiere más hardware y resulta, en general, más cara que el bus de cam po, sobre todo para procesos pequeños. Sin embargo, tiene la ventaja, por parte del usuario, de que no requiere ningún conocimiento del tema de comunica ciones. A nivel interno, los nuiltiplcxorcs de E/S acostumbran a utilizar alguno de los buses de campo normalizados que acabamos de estudiar (Phoenix utiliza, por ejemplo. B IT B U S para lo que di cho fabricante com ercializa com o IN T E R B U S - S ). El parámetro más critico para estos sistemas es el tiempo de respuesta, es decir, el tiempo que tarda una señal en ser transmitida desde el lugar donde se genera y se multlplexa hasta su demultiplexión en destino, Para la ma yor parte de multiplexores este tiempo es inferior a 10 ms. Para la mayoría de
las señales esto no es importante, pero por descontado no es válido para las señales de algunos contadores ni para la mayoría de señales analógicas que Intervengan en algún bucle de regula ción. Aparte del tiempo de respuesta, la tabla 15.11 muestra un pequeño resu men de las características de un multiplexor típico.
15.7. R E D E S LAN IN D U S T R IA L E S Siguiendo con la descripción de los sistemas de comunicación industriales y de acuerdo con la organización je rárquica de las propias redes, indicada en la introducción de este capitulo, va mos a describir en los apartados si guientes el nivel de LA N . A este nivel podemos decir que los estándares más conocidos y de uso más extendido son básicamente dos: M A P y E T H E R N E T , aunque este último no ofrece en realidad una solución com pleta de red, sino que especifica úni camente el medio físico y el control de acceso al medio (M A C ). E l estándar M A P nació como un producto especialmente diseñado y pensado para el entorno industrial, mientras que E T H E R N E T estaba ini cialmente pensado para una red de ser vicios de ofimática y fue adoptado para algunas redes de uso industrial en un periodo en que no existía ningún otro estándar suficientemente implantado. Actualmente y a pesar de que en el as pecto de aplicación no hay ningún es tándar. se siguen ofreciendo redes in dustriales basadas en E T H E R N E T . Aunque siempre es arriesgado hacer pronósticos en este campo, la tenden cia actual para redes Industriales parece decantarse por el M A P y podríamos de cir que, a nivel de L A N industriales, parece que va a convertirse en el prin cipal estándar del futuro.
15.8. MAP Uno de los intentos más serios de estandarización de redes industriales, desde el nivel de red local hasta el nivel de W A N para enlazar incluso varias factorías, fue impulsado por General Motors, que junto con I E E E crearon el
C O M P O S IC IO N D P I S IS T E M A N U M E R O M A X O E E/S PO R M Ó D U L O
2 Estaciones M U X / D E M U X t Cable 256 a 512
T IP O D E C O M U N IC A C IÓ N
Bidireccíonal semidúplex RS-485 (con o sin señales de
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control, dos pares o uno) V E L O C ID A D E S D IS T A N C IA S L O N G IT U D D E L B U S L O C A L C O N M Ó D U L O S DF. E/S
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Depende de numero de E/S, máx. 10 ms
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Opcional
labia 15.11. Características tipa de un multiplcxor protocolo M A P (Manufacturing Auto mático Protocol). Las razones que im pulsaron esta iniciativa fueron que G M preveía que para la década de los no venta debía integrar en red unos 41X1.000 sistemas más o menos «dedi cados», basados en microprocesador y de distintas marcas. E l coste previsto de las interfaces de protocolo para poder enlazar todos ellos era del mismo or den de magnitud o superior al de los propios controles o «Islas» que se de seaba unir. Fue entonces cuando de cidió no incorporar ningún sistema de control que no fuera 100% compatible con el protocolo M A P . Dado el gran poder de compra de la firma americana y la adhesión que tuvo por parte de otras firmas del sector del automóvil, muchos fabricantes de autómatas, C N C y robots incorporaron a sus productos de gama alta una interfaz de comuni caciones con protocolo M A P .
15.8.1. Estructura de la red y protocolo Al igual que hemos visto en otros casos, el protocolo es una pieza clave de la comunicación y, en muchos ca sos, da nombre a la red. Tal es el caso de M A P , en tomo al cual se ha nor malizado una estructura de comuni caciones para la industria, donde se contemplan los tres niveles jerárquicos que hemos comentado en la introduc ción: Nivel has de campo: M A P no cu bre propiamente este nivel, sino que lo considera un nivel inferior que se integra en la red mediante autómatas o terminales que ac-
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Opcional E/S.
túan aisladamente, pero que dis ponen de una pasarela entre el bus de campo y la red M A P . Estos ter minales disponen, pues, de dos canales de comunicación: uno que conecta con el bus de campo (con un protocolo propio) y otro que enlaza con la red M A P . De esta forma M A P se muestra lo sufi cientemente abierta como para poder integrar productos de gama baja trabajando con otros proto colos. - Nivel de Red Local: El M A P es un protocolo pensado para redes de tipo W A N ; por tanto, incluyendo los niveles de red, transporte, se sión y presentación, que le per miten el fraccionamiento de pa quetes y el encaminamiento de los mismos a través incluso de redes conmutadas públicas o privadas. No obstante, resulta excesivamen te caro y complejo para aplicacio nes de pequeña y mediana en vergadura y, sobre todo, para la interconexión de pequeños con troladores a nivel industrial. En vista de ello se creó un subconjuntu del protocolo, pensado para redes industriales de tipo LA N . totalm ente com patible con el M A P Este protocolo simplificado se conoce como M IN IM A P y está previsto para gestionar una red lo cal con una arquitectura tipo bus con acceso por paso de testigo (E P A , F.nhanced Protocol Architecture). F.I protocolo se simplifica a base de eliminar las capas In termedias del modelo O SJ previs
tas para la conexión a redes con mutadas y queda reducido a los niveles I (t í s i c o 2 (enlace). 3 (red) y 7 (aplicación). Su ventaja res pecto a otros protocolos de ges tión de redes LA N estriba en cl hecho de que permite la integra ción de la red local en redes W A N , simplemente añadiendo a la trama las funciones de trans porte y sesión propias del M A P . Nivel LA N /W A N : A este nivel, la red M A P propiamente dicha cu bre los siete niveles del modelo O SI. Está basada en un bus con transmisión en banda ancha multicanal, que permite interconcctar los sistemas de control de planta con las aplicaciones de gestión, oficina C A L ), ordenadores de planta, canales de datos, voz, imá genes, etc., con emplazamientos locales o remotos. En este último caso está prevista la interconexión a redes W A N de uso público a través de estaciones o nodos que actúan de pasarela entre la red lo cal y la red W A N , Las características básicas de la red M A P con protocolo completo se re sumen en la tabla 15.12. Los puntos más destacables son los siguientes: — Todas las señales se transmiten moduladas en frecuencia. — La banda de frecuencias entre 5,75 y 450 M H z se divide en dos gran des bandas, una de transmisión y otra de recepción. Éstas, a su vez, están divididas en canales con un ancho de banda de 6 MHz. Cada canal de transmisión y el corres pondiente de recepción están se parados entre sí 192,25 MHz.
El número total de nodos puede llegar a 10.000 y la distancia entre ellos puede alcanzar unos 10 km En el ámbito de este texto no en maremos en detalles de los sistemas de comunicación a través de redes con mutadas ni de protocolos de transporte propios de redes a nivel de W A N , por lo que estudiaremos únicamente con cierto detalle el nivel de red local MlN IM A P . En realidad, todo lo que se diga para los niveles llsieo y enlace de dicha red es compatible con M A P , ya que se trata de una simplificación del protocolo, 15.8.2. Nivel de aplicación Una de las características más des tacables del estándar M A P es que da especificaciones bastante concretas para el nivel de aplicación. En la mayor par te de redes locales existentes con an terioridad a él existía una especie de divorcio entre las capas física, enlace y transporte y la capa de aplicación. El estándar M A P fue el primero que con templó el nivel de aplicación como una parte inseparable, de forma que al de finir el protocolo se tuvo en cuenta que pudiera dar una serie de servicios es tándar al usuario. La «compatibilidad» a nivel aplica ción se basa en suponer que para los servicios a dicho nivel están disponi bles los niveles O SI inferiores y, por tanto, se prescinde de los mecanismos concretos utilizados en la transmisión, transporte, sesión y presentación. Los servicios de aplicación de M A P para entorno industria! tienen muchas características en común con las de otras aplicaciones en redes locales del campo de la ofimática, en concreto con
Tabla 15.12. Caracierislicas básicas de la red MAP. N IV E LE S IMPLF.MKNTADOS EN LA C E FÍSICO TOPOLOGÍA CODIFICACIÓN
Modelo O S I completo 11 a 7) Cable coaxial Bus Modulación banda ancha F D M (división de canales por frecuencias): 5.75 u 450 M llz
A N C H O DF. B A N D A PO R C A N A L V E L O C ID A D PRO TO C O LO A C C ESO
6 M llz 10 Mbils/s Paso de testigo en anillo I E E F 802.4
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las definidas en las recomendaciones F O P (Technical Office Protocols). Tan to es así que actualmente se conside ran un estándar común denominado M A P/TO P. Así pues, para lograr una total in dependencia del nivel aplicación con los más bajos, éste trabaja con entes abstractos, también llamados «entes virtuales» (ficheros, arrays y varia bles), aunque admite una forma más simple llamada «datagrama» (utilizada en M 1 N IM A P), que trabaja directa mente con direcciones lógicas, presu poniendo la no existencia del nivel red. El estándar basado en entes virtuales ¡mplementa los siguientes servicios (de más bajo a más alto, figura 15.38): C A S E (Common Application Ser vice Elenienls): Constituye la in terfaz con los niveles inferiores del modelo OSI. F'TAM (File Transfer Access M a nagement): Se encarga de la trans misión de ficheros. Se ha dibujado directamente al mismo nivel de C A S E porque en muchas opera ciones conecta directamente con las capas de presentación y sesión sin usar los servicios de C A S E . En realidad asocia direcciones lógicas a «objetos» (paquetes de variables, arrays, ficheros, etc.). — Sistema operativo: Se encarga de gestionar los recursos del terminal o nodo desde el cual opera el usuario. — D irectorio de entes virtuales: Contiene el índice de todos los «objetos» asociados a cada uno de los procesos soportados por la red — M M F S (Manulácluring Message Formal Standard) y otros: Con tiene el software de tratamiento de los mensajes. En el caso de gestión de nodos unidos a pro cesos industriales, el M M F S es una librería de aplicaciones están dar. El bloque puede contener li brerías para otras aplicaciones. El conjunto de estas librerías están al servicio del usuario para crear sus propios programas. 15.9. M IN 1M A P Tal como se ha dicho, la red MIN1M A P no es más que un subconjunto
forma el tiempo máximo de ciclo está acotado.
USUARIO
M M FS GRAMAS USUAPIO A P LiC A C 'Q N
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DIRECTORIO VA RIA BLES
OPERATIVO DE EN T ES
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15.9.2. Protocola
Figura I5.3S. MAP: Servicios de la rapa de aplicación. de la red M A P . cuyas características bá sicas se resumen en la tabla 15.13.
15.9.1. Estructura de la red La topología y la estructura lógica de la red M IN IM A P pueden resumirse en los siguientes puntos: - Desde un punto de vista físico, tiene una topología de bus, con un máximo de 64 nodos, pero desde el punto de vista lógico fun ciona como un anillo. - La codificación se hace por mo dulación de frecuencia en banda base y la transmisión es de tipo síncrono. — Cada estación tiene asignada una dirección única e independiente de su situación física, formada por un número de red (0 a 127) más un número de estación (0 a 63). El número de red toma los va lores: • 0 para las arquitecturas monosegmento.
Precisamente la última afirmación permite detectar la perdida de testigo. Esto desencadena un procedimiento especial de inicial ¡/ación, que consiste en que cada estación intenta emitir una trama tle petición de testigo. La du ración de la trama es proporcional a la dirección en la red. Si en esta fase exis tiera colisión en el bus se resuelve de forma que cada estación, después de emitir la trama de petición do testigo, escucha en el bus. Si deteeta señal se inhibe y si no se apropia del testigo.
• I a 127 para las multisegmenlo (esto prevé la posterior integra ción de varias M IN IM A P en una red de rango superior de tipo M A P). Al ¡metalizar la red, el testigo se asigna a la estación con dirección más alta y el paso de testigo se realiza por orden decreciente de direcciones. Cada estación, al recibir el testigo emite sus mensajes y al terminar cede dicho testigo a la estación con dirección inmediatamente in ferior, hasta llegar a la estación 1, que cede el testigo a la de direc ción más alta. Si una estación recibe el testigo y no tiene mensajes para transmitir lo pasa inmediatamente a la si guiente. El tiempo de posesión del testigo está limitado a unos 800 //s, des pués del cual la estación que lo tenga debe cederlo aun en el caso de no haber finalizado la trans misión de sus mensajes. De esta
Tabla 15.13. Características básicas del MINIMAP. N I V E L E S IM P L E M E N T A D O S
Niveles O SI (1. 2. 3 y 7)
M E D IO F IS IC O C O D IF IC A C IO N
Cable coaxial de 75 Q Modulación de frecuencia en banda base
T O P O I.O O IA V E L O C ID A D
Bus 5 Mbils/s
PRO TO C O LO A C C ESO
Paso de testigo en anillo según I E E E 802.4
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La trama del protocolo M IN IM A P tiene la estructura indicada en la figura 15.39. Los significados de cada campo y los códigos empleados se detallan en la figura 15.40 y se explican a conti nuación. Preámbulo: El preámbulo consta de 2 bytes de valor 55,,. Esto da una se cuencia de ceros y unos consecutivos que se utilizan para sincronización de la transmisión síncrona y permite lo calizar el primer bit útil. Inicio de trama: E l inicio de trama es un carácter especial que depende de la codificación empleada. Tipo de irania: El tipo de trama se codifica con 1 byte. Hay dos tipos de trama (véase la figura 15.40): trama M A C y trama LLC . Direcciones destino/origen M A C : Cada una de estas direcciones se compone de 6 bytes e indican el tipo de mensaje (punto a punto o difundido), los nodos de destino o de origen, el número de red y el tipo de servicio (palabras co munes, memoria compartida, etc.). Datos/Control L L C : M IN IM A P de signa este campo como «datos», aun que el encabezamiento de dichos datos contiene los códigos de registros o áreas de memoria de origen y destino, asi como el código de control de L L C , que son ya propios de los equipos de origen y destino del mensaje. Así pues, la in terpretación de esta parte del protocolo
d ir e c c ió n 1 PR EAM BULO
D IR E C C IÓ N I N I C I O DE T I P O DF NODO D E S T IN O TRAM A TR AM A
la hacen los propios equipos termina les. puesto que designan direcciones de memoria internas y códigos de lectura, escritura o error que dependen de la arquitectura, de la función y del nivel de inteligencia del terminal.
MAC
D IR E C C IÓ N NODO E M IS O R
1 1 b y te
2 b y te s
| <-------- d a t o s / c o n t r o l D IR E C C IÓ N R E G .O R I G .
LLC
---------►
D IR E C C IÓ N REG. D E S T.
C O N TR O L LLC
0 a
b y te s
I-
264
6 b y te s
6 b y te s
1 b y te
D A TO S
FIN DE TRAM A
CR C ( 3 2 ) TR A M A 4 b y te s
1 b y te
Figura 15..19. MINIMAP: Trama del mensaje.
Fin de traína: El carácter de fin de trama contiene al menos un bit de error y un bit que marca si es final de men saje o se ha interrumpido por límite de tiempo en la posesión del testigo.
Figura 15.40. MINIMAP: Descripción de los distintos campos de la trama. B7
BO B7
0 1 0 1 0 1 0 1
PR EAM BULO
B7 IN IC IO TR A M A
B7
0 1 0 1 0 1 0 1
15.9.3. Procedimientos de inicialización
N
NN = B i t s
de c o n t r o l
de u s u a rio
X
X
X
0
o o o o
0 0 0
10 1 i 0 o 0
o
X
X
BO X
T I P O DE TR A M A : TR A M A MAC
BO
B0 0 0 0 N N O N
DE
0 0 o 1 o 1
P e tic ió n de t e s t ig o S o lic it u d de su c e s o r 1 S o lic it u d de s u c e s o r 2 " q u ié n s ig u e ? " " r e s o lv e r c o n t e n c ió n " te s tig o " a s ig n a r s u c e s o r"
BO T I P O D E TR A M A : TR A M A L L C
x x
x
x x
x
1 0
0 0 1 0 0 1
L e c ti/ E s c r. L e c t/ E s c r, R e s p u e s ta P r io r id a d P r io r id a d P r io r id a d P r io r id a d
x x x x x x
b y te D IR E C C IO N E S D E S T./O R IG . MAC
b y te
6 4 2 0
c o n f ir m a c ió n c o n f ir m a c ió n
(P a la b r a s com une s) (M e n s a je s ) (M e n s .d e s e r v i c i o ) b y te
i D ir e c c ió n -------------------1-------------------
T ip o -0 0 H T ip o = 0 1 H
D A TO S /C O N TR O L LLC
s in con
1
T ip o
M e n s a je M e n s a je
N * R ed T i p o
U s r.C o d
b y te R eg. o r i g e n
3
C o n tro l
D a to s
— Arranque del sistema. — Eliminación de estaciones de la red. — Pérdida del testigo por error. — Periódicamente para detectar la inserción de nuevas estaciones.
□
Procedimiento de arranque: Este pro cedimiento asigna el testigo por pri mera vez al arrancar a la estación con dirección más alta. Ésta determinará su sucesor a través de un procedimiento denominado «¿quién sigue?», que re pite la inicialización con el resto de es taciones de direcciones más bajas, per-
B7 F I N DE TRAM A
Como se ha dicho anteriormente, el acceso a la red M IN IM A P se hace por paso de testigo. El orden de circulación del testigo está fijado de mayor a me nor dirección de las estaciones. No obs tante, en el momento de arrancar la red o en caso de pérdida del testigo, no existe ningún tipo de asignación previa ni por hardware ni por software y, por tanto, una estación no conoce en rea lidad la dirección de la que le precede ni de la que le sigue. Son los procedimientos de iniciali zación y de reinicialización los que per miten crear y actualizar una tabla en cada estación, indicando su antecesor y su sucesor. Estos procedimientos de inicialización y reinicialización del ani llo lógico se ejecutarán en los siguien tes casos:
6 S e rv .
p u n to a p u n to de d i f u s i ó n
1
Reg. d e s t i n o
C RC (32): Se trata del campo de con trol de error («checksum») módulo 32. tal como se definió en el capítulo 14. Lógicamente el CRC(32) está formado por 4 bytes (32 bits).
E F 1 N N 1 N N E= B i t de e r r o r ( l = e r r o r ) F = B i t d e f i n d e m e n s a je : 0 = F i n d e m e n s a je l= T r a n s m is ió n a c o n t in u a r NN= B i t s d e c o n t r o l d e u s u a r i o
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R 1 D IS D I CO M U N IC A C IÓ N
miliendo determinar la de dirección más alta de entre las restantes. F.ste procedimiento se repite hasta completar todas las estaciones. Si fra casa el «¿quién sigue?» el testigo vuelve a la estación de dirección más alta. El procedimiento de operación es el siguiente: Después del arranque cada estación emite varias tramas de peti ción de testigo de duración proporcio nal a su dirección en la red. Después de cada trama comprueba si hay señal en la línea procedente de alguna otra estación que esté emitiendo. Si la en cuentra, se retira automáticamente, pues ello significa que hay una estación con trama más larga (dirección mayor). Si no escucha nada en la linea, emite la trama correspondiente a la siguiente pareja de bits y repite el procedimiento y asi hasta quedar una sola estación que después de transmitir la última pareja de bits no encuentra ninguna ocupan do la linea. Ésta será la de dirección mayor y se atribuye el testigo, con lo cual el anillo estará inicializado. Para determinar la duración de cada trama se toma la dirección expresada en B C D y se agrupan los bits dos a dos. Se entile una trama por cada pareja de bits empezando por el grupo más sig nificativo (cuatro tramas en total, más una al final de confirmación). La du ración de cada trama depende del valor binario de la pareja de bits, según el baremo indicado en la tabla 15.14. La figura 15.41 muestra un diagrama de tiempos con unas hipotéticas direc ciones (59, 54. 50 y 48) para ilustrar el procedimiento de arranque. En dicha figura se observa que la primera trama, con duración correspondiente a la pa reja de bits mas significativos es de 2 T para todas las estaciones del ejemplo: por tanto, ninguna de ellas queda eli minada. En la segunda trama se eli mina la estación 48, puesto que des pués de emitir detecta señales en el bus,
En la tercera trama se eliminan las es taciones 50 y 54. En la cuarta sólo emi te la estación 59, que al no detectar se ñal en el bus se asigna el testigo y emi te una trama de confirmación. Procedimiento ¡le eliminación ¡le una estación: Durante la circulación normal cada estación pasa el testigo a su su cesor y espera que éste deposite una trama válida en el bus. Si no es así. emite por segunda vez el testigo y es pera de nuevo una trama válida. En
Tabla 15.14. Tiempos de trama en las procedimientos de inicializaeión. PARES D E HITS
DURACIÓN TRAM A EXPLORACIÓN
Ü 0
1 U N ID A D D F T
0 1
2 U N ID A D E S D F T
10
4 U N ID A D E S D F T
1 1
P U N ID A D E S D F T
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caso de no recibirla da de baja a la es tación que le sucede y emite una trama del tipo «¿quién sigue?» con el número del que era su sucesor. Este mensaje será contestado por la estación siguien te en el orden decreciente, o en caso de defecto de ésta se repetirá el pro cedimiento. La figura 15.42 muestra un diagrama tipo G R A F C E T del procedimiento de eliminación en caso de fallo de res puesta de una estación. Procedimiento ¡le inserción de una es tación: Periódicamente cada estación comprueba si hay nuevas estaciones añadidas cuya dirección esté compren dida entre la suya propia y la, de su sucesor dirección a base de enviar una trama del tipo «solicitud de sucesor 1». Si hay más de una respuesta (varias es taciones insertadas) se envía una trama del tipo «resolver contención» que se encargará de asignar el orden por un
procedimiento parecido al de inicittlización. La ligara 15.43 muestra un diagrama tipo G R A F C E T del procedimiento de inserción.
15.1(1.
Figura 15.42. MINIMA P: Procedimiento de reinicializaeión por eliminación de una estación. Figura 15.43. MINIMA!’: Procedimiento de reinicializaeión por inserción de una nueva estación.
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Solicitud su c e so r
Tes, iqo: 3
Asignar sucesor
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59
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i
■M
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ETH ERN ET
E T H E R N E T es el nombre de una red diseñada a principios de los setenta por Xerox Corporation, para poder compartir una serie de recursos en su centro de investigación. La técnica de comunicación fue adoptada y registrada posteriormente por la propia Xerox junto con Digital c Intel y en la década de los ochenta se convirtió en un es tándar de fado para los niveles lisico, enlace y red de numerosas redes lo cales en el campo de la olimática. El propósito inicial de la red era el de poner a disposición de múltiples usuarios una serie de recursos costosos como memorias masivas, impresoras de calidad, plotters, etc., de forma que pudieran ser compartidos por todos ellos como si estuvieran directamente conectados a su terminal. Las características básicas de la red se resumen en la tabla 15.15. Las prestaciones más relevantes de la red son las siguientes: — Compatibilidad con el modelo O SI: Esta compatibilidad cubre solamente los niveles fisico, enlace y red. No se propone ningún pro,
I I .
.
— Compatibilidad de los nodos conectables: Esta compatibilidad se refiere sólo a los niveles fisico y de enlace. Es decir, cualquier par de terminales «compatibles» con E T H E R N E T son capaces de in tercambiar datos, pero no nece sariamente de interpretarlos. — Sim plicidad: La gestión de la red no debe aumentar la complejidad de uso por parte del usuario. Bajo coste y fácil mantenimiento: Este requisito debe respetarse tan to para el medio fisico de cone xión como para las interfaces de protocolo de la red que deban in corporarse a cada terminal. - Agilidad de dircccionamiento: La red permite la comunicación pun-
10 a punto, los mensajes ele un puntó a otros varios («multicast») y los mensajes de difusión, es de cir, de un punto a lodos los demás («broadeast»). Equidad r Habilidad: No existe ninguna prioridad entre las distin tas estaciones y, además, la averia o desconexión de cualquiera de ellas no interfiere el funciona miento de la red. - Alta velocidad: La velocidad pre vista en la norma básica es de II) Mbits/s. Además, la red no intro duce ningún retardo aparte del es trictam en te necesario para la transmisión de datos.
Finura 15.44. Interfaz de un nodo HTHfcRNUT - F.l protocolo no ofrece ningún control de inviolabilidad. Cual quier terminal conectado a la red puede como mínimo escuchar c intentar acceder a ella. Este con trol debe, pues, ejercerlo el soft ware.
F.n la concepción de E T H E R N E T se descartaron algunas prestaciones co munes en otras redes, tales como: - No se preven distintas velocidades y medios de conexión en la norma básica. Se prevé una única velo cidad (10 Mbits/s) y un tipo de cable para transmisión en bada base. Posteriormente, se han de sarrollado variantes para banda ancha de mejores prestaciones y la variante «Thin W ire» para bajas prestaciones. - La norma no contempla el fun cionamiento en modo dúplex bidireccional. La comunicación es semidúplex. - Los únicos controles de errores previstos son: el C R C y la detec ción de colisión en la capa de con trol de acceso al medio (M A C ), - No se establecen reglas de prio ridad entre estaciones, aunque si están previstos varios niveles de prioridad entre mensajes.
Asi pues, todas estas prestaciones han de ser previstas al margen del es tándar y. por consiguiente, esto puede originar problemas de incompatibili dad. 15.10.1. Estructura de la red M ED IO FÍSIC O : El medio de conexión estándar es. como se ha dicho, un cable coaxial de 50 Q, conocido como cable E T H E R N E T , previsto para la transmisión en banda base. La longitud máxima, sin repetidores, con este tipo de conexión es de 500 m y cada nodo debe estar separado del resto al menos 2,5 m. Flxiste también una variante más económica llamada de cable delgado
Pabla 15.15. Características básicas de las redes t iitt ht \ET N I V E L E S IM P L E M E N T A D O S
Niveles O SI I. 2 y 3 (el último a través de
M E D IO F ÍS IC O
puentes) Cable coaxial de 50 Q (cable E T H E R N E T ) Variantes de cable y libra óptica en banda
T O P O L O G ÍA C O D IF IC A C IÓ N V E L O C ID A D PR O TO C O LO A C C ESO N U M E R O M Á X IM O D E E S T A C IO N E S S E P A R A C IÓ N M A X . E N T R E N O D O S
ancha y «thin wire», Bus o árbol Código
Manehesler.
Modulación de fre
cuencia en banda base (variante) 10 Mbits/s C S M A / C D según I E E E 802.3 1024 2.5 km
________________________________
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(« Thin Wire»), que utiliza cable RG58 c/u, que permite segmentos de hasta unos 180 m. Tenemos también la posibilidad de transmisión en banda ancha multicanal a través de cable o fibra óptica. Para ello debe utilizarse una interfaz espe cial (modem) denominada D E C O M para la red estándar y D E S T A para la versión de cable delgado. En cualquiera de estos medios, la co nexión debe hacerse en ciertos puntos concretos del cable para evitar que la carga distorsione la señal. Para ello el cable va adecuadam ente m arcado. Además deben disponer de termina ciones para evitar que se degrade la se ñal por reflexión. IN T E R FA Z CON E L BU S: Cada estación se conecta a la red me diante un controlador y un transccplor. Ambos bloques pueden estar física mente incluidos en una tarjeta propia de la estación o constituir bloques se parados (figura 15.44). En cualquier caso sus funciones son: Transccplor. Este bloque es el más próximo a la conexión en el bus. Dis pone de un sistema de detección de portadora que proporciona el estado de ocupación del bus y se encarga del as pecto más físico de la conexión, bási camente de la modulación y demo dulación. Controlador. Este bloque es el más próximo al terminal y se encarga de controlar el acceso al medio y de la co dificación y decodillcacíón de datos. Antes de transmitir genera automáti camente una orden de L B T («Listen
Belitre Talking», escuchar untes de ha blar). que permite detectar la ocupa ción de! bus. Durante la transmisión pone en marcha un procedimiento de nominado L W T («Listen W híle Tulking», escuchar mientras se habla), que detecta la colisión que pudiera pro ducirse a causa de los retardos de pro pagación del LB T . Si dos estaciones in tentaran transmitir a la Vez. el transceptor detecta la colisión por el nivel de señal eléctrica y el L W T interrumpe la transmisión. TO PO LO GÍA y ESTRU C TU RA LÓ G I CA: La topología de la red E T H E R N E T se basa en una estructura en bus o en árbol. Los nodos de partida de las ra mificaciones se denominan normal mente repelítío res y tienen la misión de regenerar la señal del bus, con objeto de aumentar su alcance (figura 15.45). Sin embargo, desde un punto de vista lógico hay que considerar este tipo de red como un bus único, donde los re petidores propagan también las detec ciones de colisión. Hl acceso al bus se detecta por el mé todo C SM A / C D , de acuerdo a la nor ma IE E E 802.3, explicado en el capí tulo 14. A este respecto debe advertirse que dicho método no es exclusivo de E T H E R N E T y que, por tanto, no pue de designarse con este nombre a una red por el simple hecho de estar basada en la norma Indicada.
Entre dos nodos no puede haber más de dos repetidores para evitar excesivos retardos en la detección de colisión. Para resolver este problema se propone otro tipo de bloque denominado pítenle E T H E R N E T Este dispositivo dispone de un bull'er de memoria propio donde se recibe la información y se retrans mite cuando el medio está libre Esto permite ¡nterconeclar dos o más redes locales en lo que se denomina una red extendida. Puede decirse, pues, que el citado dispositivo es el encargado de gestionar el nivel OS1 3 (red) en la ETH ERN ET. Aunque no forma parte propiamente de la estructura E T H E R N E T . Digital previo la conexión de dicha red a otras redes locales o incluso a redes de área amplia (W A N ). tales como D E C 'N E T , SN A , X.25, etc.
15.10.2. Protocolo El protocolo E T H E R N E T está pre visto únicamente para gestionar el nivel de enlace. El nivel red debe ser ges tionado. tal como se acaba de Indicar, a nivel de puentes entre redes homó nimas y/o pasarelas con otras redes, pero, en cualquier caso, no forma parte del estándar E T H E R N E T . Según lo que acabamos de decir, la trama podrá ser relativamente simple, puesto que se trata de direccionar sólo dentro de una red local con un máximo de 1024 nodos. La figura 15.46 muestra
Figura 15.45. ETHERNET: Topología en arhol.
el formato básico de dicha trama, l os significados de cada uno de los campos se detallan a continuación. - Preámbulo: El propósito de este campo es la sincronización de bits. Para ello el preámbulo consiste en repetir los caracteres AA,,. es de cir, una secuencia I0I0 KU 0.... con un total de 7 caracteres. luido: El octavo carácter es \ B „ (10101011|,) e indica el inicio de mensaje. Dirección tic destino: Este campo puede tener una longitud de 2 o 6 bytes (generalmente 6) c indica la dirección lisien o lógica de los nodos destino para la trama. Tén gase en cuenta que la E T H E R N E T básica soporta sólo 1024 no dos, /icro, como Sé ha jJü h l) c u í den utilizarse «nodos puente» con su propia gestión de encamina miento («routers») para enlazar varias redes y. por tanto, no debe extrañamos que la dirección esté formada por 48 bytes. — Si el primer bil es (I. los que siguen indican la dirección ló gica de un nodo destino único (comunicación punto a punto). Si el primer bit es I. los que siguen Indican un rango de di recciones de destino (conexión multipunto). — Si lodos los bil son I. indica que se trata de un mensaje de difusión, donde el destino son todos los nodos. - Dirección de origen: El campo pue de estar formado por 2 o 6 bytes (generalmente 6) c indica la di rección del nodo origen. - Tipo de iranio: En realidad la nor ma IE E E 802.3 utiliza este campo de 2 bvtcs para indicar la longi tud del campo de datos, pero E T H E R N E T lo emplea para co dificar distintos formatos del cam po de dalos. - Campo de dalos: Este campo con tiene en realidad toda la infor mación. datos, órdenes, direccio nes físicas de memoria o registros de cada nodo. etc. No obstante, lodo ello es transparente para el protocolo E T H E R N E T , que no se
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líelórc falking», escuchar antes de ha blar). que permite detectar la ocupa ción del bus. Durante la transmisión pune en marcha un procedimiento de nominado L W T («Listen W hile Talking», escuchar mientras se habla), que detecta la colisión que pudiera pro ducirse a causa de los retardos de pro pagación del LB T . Si dos estaciones in tentaran transmitir a la ve/., el transeeptor detecta la colisión por el nivel de señal eléctrica y el L W T interrumpe la transmisión. TO PO LO GÍA ) ESTRU C TU RA LO G I C A: La topología de la red E T H E R N E T se basa en una estructura en bus o en árbol. Los nodos de partida de las ra mificaciones se denominan normal mente repetidores y tienen la misión de regenerar la señal del bus, con objeto de aumentar su alcance (figura 15.45). Sin embargo, desde un punto de vista lógico hay que considerar este tipo de red como un bus único, donde ios re petidores propagan también las detec ciones de colisión. El acceso al bus se detecta por el mé todo C S M A / C D , de acuerdo a la nor ma IE E E 802.5, explicado en el capi tulo 14. A este respecto debe advertirse que dicho método no es exclusivo de E T H E R N E T y que, por tanto, no pue de designarse con este nombre a una red por el simple hecho de estar basada en la norma indicada.
Entre dos nodos no puede haber más de dos repetidores para evitar excesivos retardos en la detección de colisión. Para resolver este problema se propone Otro tipo de bloque denominado puente ETHERN ET- Este dispositivo dispone de un hull'er de memoria propio donde se recibe la información y se retrans mite cuando el medio está libre. Esto permite inlerconeclar dos o más redes locales en lo que se denomina una red extendida. Puede decirse, pues, que el citado dispositivo es el encargado de gestionar el nivel O SI 3 (red) en la ETH ERN ET. Aunque no Ibrma parte propiamente de la estructura E T H E R N E T , Digital previo la conexión de dicha red a otras redes locales o incluso a redes de área amplia (W A N ). tales como D E C N E T . SN A . X.25, etc. 15.10.2. Protocolo El protocolo F .T L IF R N E T está pre visto únicamente para gestionar el nivel de enlace. El nivel red debe ser ges tionado, tal como se acaba de indicar, a nivel de puentes entre redes homó nimas v/o pasarelas con otras redes, pero, en cualquier caso, no forma parte del estándar E T H E R N E T . Según lo que acabamos de decir, la trama podrá ser relativamente simple, puesto que se trata de direccionar sólo dentro de una red local con un máximo de 1024 nodos. La figura 15.46 muestra
Finura 15.45. ETHERNET: Tnpolngiu en urhnl
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el formato básico de dicha trama. Los significados de cada uno de los campos se detallan a continuación. — Preámbulo: El propósito de este campo es la sincronización de bits. Para ello el preámbulo consiste en repetir los caracteres A A ,(. es de cir, una secuencia 10 101010 con un total de 7 caracteres. - Inicio: El octavo carácter es Al!,, (10101011,,) e indica el inicio de mensaje. Dirección de desunir Este campo puede tener una longitud de 2 o 6 bytes (generalmente 6) e indica la dirección física o lógica de los nodos destino para la trama. Tén gase en cuenta que la E T H E R N E T básica soporta sólo 1024 no dos. pero, como se ha dicho pue den utilizarse «nodos puente» con su propia gestión de encamina miento («routers») para enlazar varias redes y, por tanto, no debe extrañarnos que la dirección esté formada por 48 bytes. — Si el primer bit es 0. los que siguen indican la dirección ló gica de un nodo destino único (comunicación punto a punto). — Si el primer bit es I, los que siguen indican un rango de di recciones de destino (conexión multipunto). — Si todos los bit son I. indica que se trata de un mensaje de difusión, donde el destino son todos los nodos.
para a analizar el contenido de di cho campo ni a interpretarlo. La longitud máxima del campo de datos es de 1500 bytes. Algunos estándares fijan además una lon gitud mínima de 46 bytes y, en caso de no existir datos suficien tes, se insertan caracteres N U L ( „)
00
- CRC(22): El C R C se calcula me diante un polinomio del tipo: x '} + AJ " + .\” + A'"' + x n + A-" + + .V 1" + A * + A-7 + A-' + ,\J + . r
+
1
15.10.3. Procedimientos de inicialización El método de acceso empleado por E T H E R N E T no requiere ningún pro cedimiento especial para inicializar. in sertar o eliminar una estación, puesto que el acceso es por colisión. Para re des con poco tráfico esto da una ve locidad de respuesta aceptable; pero cuando la cantidad de datos a inter cambiar es grande, el rendimiento dis minuye drásticamente. Para optimizar el tiempo de res puesta en redes locales y evitar intentos de acceso a estaciones no disponibles, puede implementarse un protocolo adi cional de forma que cada estación co noce directamente las direcciones físi cas de los nodos disponibles. Esta op ción suele ser ampliamente usada en las comunicaciones entre autómatas y un «host» central.
15.11. NIVEL DE APLICACIÓN: SOFTWARE El nivel de aplicación de una red es algo muy particular de cada uno de los equipos eonectables a la misma. Si bien en teoría este nivel forma parte del mo delo OS| y debería estar resuelto de una forma genérica, únicamente el es tándar M A P ofrece un software básico
que permite gestionar los recursos de la red desde cualquier punto a todos y cada uno de sus terminales. Aun así el usuario debe utilizar las librerías de propósito general ofrecidas por el M M F S y desarrollar los programas pro pios de su aplicación. Para otras redes locales, lo más que existe a este nivel son o programas pro pios de una marca, que permiten ges tionar todos los dispositivos de la mis ma eonectables o, eventualmentc. al gunas librerías (no estándar como en el caso del M A P ) que facilitan la confec ción de programas propios del usuario. La tendencia hace tan solo unos años era la de ofrecer paquetes de software cerrados, que se ejecutaban en máqui nas propias de cada marca. Sin em bargo. actualmente puede decirse que lodo el software que se desarrolla tien de a ser para 1BM-PC, bajo sistemas operativos M S - D O S / W IÑ D O W S o U N IX y, en algunos casos, se dispone del mismo para estaciones S U N o para miniordenadores V A X .
15.12. RESUMEN En el entorno industrial nos encon tramos con una serie de equipos di gitales tales como controladores, or denadores de proceso y de gestión, etc., con grados de complejidad muy diver sos según su función. Tal como se ha dicho, la integración en red de todos ellos comporta ventajas, pues permite situar la «inteligencia» cerca del pro ceso, aprovechar al máximo los recur sos y obtener el máximo de informa ción útil, tanto desde el punto de vista técnico y de control como desde el punto de vista de gestión de la fabri cación. Todo ello ha llevado a la concepción de una estructura óptima de las redes para obtener todas las ventajas men cionadas con un mínimo de coste y complejidad. Esta estructura óptima
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contempla tres niveles jerárquicos: bus de campo, L A N y I A N / W A N . Para cada uno de estos niveles, el mercado ofrece una serie de productos, de distintas fuentes, que solucionan una parcela del control y gestión. Estos productos han nacido por separado y han sido concebidos pensando en so lucionar una «parte» del proceso, pero sin pensar en el «lodo», lo cual dificulta actualmente su integración en red. La solución para tales sistemas, concebi dos como aislados, consiste en cons truir «pasarelas» que permitan la co municación, pero esto ocasiona un gran coste económico y técnico. Lo deseable, vistas las premisas an teriores. sería definir un estándar de red que permitiera la integración de pro ductos «compatibles» de distintos fa bricantes. Dado que técnicamente exis ten varias soluciones válidas para dicho estándar, se hace dilicil que cada lábricunte renuncie a su propia filosofía y a productos ya implantados en favor de un nuevo estándar y el resultado es que no podemos hablar de una única, sino de varías soluciones, todas ellas válidas, pero «incompatibles» entre sí. A lo largo del capítulo hemos ido repasando las soluciones que hemos creído que tienen un mayor grado de implantación dentro de cada uno de los niveles jerárquicos antes mencionados. Probablemente se necesitarán toda vía algunos años para que se perfile y se consolide claramente un estándar de red industrial y el resultado puede que no sea exactamente ninguno de los existentes actualmente. No obstante, con la perspectiva actual, parece claro que la estructura M A P va a imponerse para grandes redes y que a, nivel de campo, seguirán existiendo dos o tres buses con máxima implantación y otra serie de productos cuya conexión a la red deberá hacerse por medio de «pa sarelas»
15.13. REFERENCIAS |l] P R O L IB U S Nulzerorganisaiion c V Ues cliáflslellc Pelüslnipc. .V I >-5305 Alliet. Ale mania |2| T H E U IT IU IS ''' IN T LR C O N N R C T SI RlAt C O N T R O L UOS Lnibcdcd Mierocimlrollers Dnluhnok. Varios autores IN TtT 11987) |31 Redes locales en la industriu (Colección l’ro düetieal Carcedo Gallardo. Jusio. Marconibo
(IWHi
16. ORDENADORES INDUSTRIALES COMPATIBLES PC 16.1.
IN T R O D U C C IÓ N
Aunque el ordenador industrial, en tendido como una máquina con gran capacidad de cálculo y almacenamien to de información, físicamente ubicada en el centro de control de planta, y ejecutando programas bajo sistemas operativos muy especializados que exi gen un equipo específico de progra madores y administradores de siste mas, lleva ya tiempo presente en las plantas industriales como elemento central de control y gestión de datos, sobre todo en industrias primarias y de generación de energía (empresas quí micas. cementeras. centrales eléctricas, etc.), no es sino a partir de inicios de la década de los años noventa que el pequeño ordenador personal, compa tible con el estándar IB M PC. entra claramente en la pequeña y mediana industria de transformación, expan diéndose desde los ámbitos ofimáticos donde ya era bien conocido desde la década anterior. Las razones para este retraso son co nocidas: existencia de sistemas opera tivos de uso general y, por lo tanto, poco adaptados al medio industrial, rendimientos y velocidades inferiores a otras alternativas específicas disponi bles (estaciones de trabajo, «workstations»), dudosa, fiabilidad de funcio namiento. poca robustez mecánica, etc, l.a creciente caída de precios, las me joras de fiabilidad del hardware por la integración de funciones a nivel rnicroelectrónico, la aparición de sistemas operativos multitarea y/o multiproceso, la mejora de interfaz con usuario (uso de ventanas gráficas tipo «Windows», pantallas táctiles, etc.) y la creciente disponibilidad de aplicaciones indus triales sobradamente comprobadas, es tán inviniendo la tendencia de creci miento del parque de ordenadores PC. y ya ahora los incrementos de máqui
nas industriales son superiores a los to tales (figura I6.I [l|). Durante esta evolución el PC, como ordenador de uso general, ha debido adaptarse al ambiente de trabajo propio de la producción en planta, y lo ha he cho siguiendo una triple línea de ac tuación: 1. Incorporando una mayor solidez eléctrica y mecánica. 2. Mejorando su modularidad me diante una oferta creciente de bas tidores, conectores y tarjetas fun cionales (unidades centrales, ex pansiones, interfaces E/S, etc.). V Adquiriendo mayor capacidad para soportar software específico, donde el volumen de dalos no es el requisito esencial, pero sí la fa cilidad de interfaz con usuario y la rapidez de respuesta. Pese a estas mejoras evidentes de di seño y aplicación, no debe olvidarse, sin embargo, que el principal factor de
penetración del PC industrial es el pre cio, claramente inferior al de otras al ternativas de semejantes prestaciones. Este bajo precio, sin duda debido a la estandarización de los componentes y subsistemas por la amplia difusión del PC en ambientes ofimáticos y per sonales previos, ha permitido la incor poración de estas máquinas al medio industrial, primero como elemento de adquisición y gestión de datos, y des pués para supervisión y control. El PC ha tardado en entrar en la in dustria, pero cuando lo ha hecho ha entrado a lo grande: múltiple oferta de hardware, oferta aun mayor en soft ware, rápidas caídas de precio, calidad y cantidad de fabricantes y distribui dores alternativos con capacidad de proporcionar servicios completos, hasta llegar a sistemas «llave en mano», etc. Esta eclosión de la oferta ha per mitido al PC intercalarse en estructuras previas ya operativas, entre los orde nadores principales («mainframes») y los elementos digitales de control de
Figura 16.1. Evolución del mercado de los PC industriales. C recim ien to (*U)
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planta (A P I, PID , C N C , controladores de ejes, etc.) o, en pequeñas aplicacio nes, configurar nuevas estructuras je rárquicas donde pasa a ocupar la ca becera de las mismas, como elemento principal. Frente a los sistemas PC, mayoritarios en la pequeña y mediana industria, se encuentran, en la gestión de grandes procesos, otras alternativas de control digital por ordenador: Por una parle, las llamadas esta ciones de trabajo, con mayor ca pacidad de memoria, mejor reso lución gráfica y mayores posibili dades de interconexión y comu nicación con otros sistemas, ge neralmente trabajando bajo siste ma operativo U N IX y configuradas según esquemas cliente-servidor, que ofrecen total compatibilidad sobre la planta independientemen te de las plataformas hardware uti lizadas (P C , H P , S U N , D E C , etcétera). — Por otro lado, sistemas multipro cesador modulares, estructurados por interconexión de varias o mu chas placas de control (C P U ) y pe riféricos de E/S alrededor de buses abiertos, funcionando bajo siste mas operativos y protocolos de bus muy diferentes a los de arquitec tura PC. El estudio de estos sistemas y de las aplicaciones industriales que corren so bre ellos, frecuentemente instaladas bajo el procedimiento «llave en mano» y mantenidas por empresas especiali zadas, sale fuera del ámbito de este li bro, donde se trata al autómata pro gramable y a los sistemas más inme diatos conectados a él, como puede ser lo un PC industrial. En este capitulo se enumeran las principales características que debe po seer un equipo PC destinado al uso in dustrial, y se describen los diferentes componentes hardware que intervie nen en su configuración, así como las presentaciones constructivas que puede adoptar. En el capítulo siguiente se analizarán las funciones que el PC puede desem peñar dentro de una planta, descri biendo los programas de aplicación co rrespondientes,
16.2. AUTOMATA PROGRAMABLE VERSUS PC INDUSTRIAL Aunque a finales de los años ochen ta, con un mercado de autómatas ma duro y suficientemente experimentado y una implantación creciente de los PC en la industria, fueron frecuentes las discusiones acerca de la oportunidad de instalar uno u otro como elemento cen tral de un sistema de control, la ex periencia de los últimos años ha ido parcelando con mayor precisión los ni chos de aplicación de ambos dentro del entorno industrial. Ello ha sido debido a las diferencias entre ambas máquinas, que las separan, en cuanto a su aplicación, más de lo que las une su semejanza básica, a sa ber. su carácter de sistemas progra m a res construidos alrededor de un microprocesador.
Estas diferencias, que apare. ' *. sumidas en la tabla 16.1 [21 o r _• do un autómata con un PC de - r : neral, se discuten a continúan . i más atención. En cuanto a hardware, los P J diseñados como maquinas de pr — general, cslructuralmcnle endemuy sensibles a alteraciones magnéticas en su entorno, per . eficientes en el almacenamienu . formación (gran capacidad de • ría) y en las interfaces con a- (pantallas, teclado, multimedia) • ■ » sistemas (conexiones punto a pe en red). La memoria del PC es c y barata, permitiendo almacenar m, *. información que puede ser tran.-:. i a otras máquinas o ser procesada • el propio PC. Además, y si resulta n cesario, pueden incorporarse med > •J almacenamiento masivo de bajo •
Tabla 16.1 Autómata versas PC API
PC
susceptibilidad electromagnética
bien muy bien
mal mal
medularidad
muy bien
mal
regular
muy bien
h a rd w a r e
robustez mecánica
capacidad de memoria
de programa auxiliar
muy mal
muy bien
bien
mal
uso de sistemas operativos multitarea uso de subrutinas y priorización
bien regular
bien muy bien
trabajo en tiempo real matemáticas en coma Motante
bien muy mal
regular muy bien
regular
muy bien
capacidad de ampliación de F./S SO FTW A RE
algoritmos especiales (PID, alarmas.
)
gestión de datos (tablas, recetas,...)
mal
muy bien
programación «on-line» lenguajes de programación
bien regular
muy mal muy bien
librerías normalizadas
mal
muy bien
programación/depuración en simbólicos
regular
muy bien
IN T E R F A Z interfaz con usuario
mal
muy bien regular
con señales de planta
muy bien
número de E/S soportadas
bien
aislamiento y protección de E/S conexionado en red local propia
muy bien
mal regular
bien mal
bien muy bien
de tolerancia al fallo
muy bien hien
mal
de reinicialización del sistema
bien
mal
mantenimiento y oferta de recambios
regular
bien
comercial
SEG U R ID A D de funcionamiento continuado
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regular
unitario e interfaz estándar con la C P U (discos magnéticos u ópticos) y, por tanto, directamente conectables a ella sin problemas para el usuario. El autómata, por su parte, resulta mucho más robusto, modular y adap table a la planta, con conexiones a ella bien resueltas (número y lípo de E/S, aislamientos y protecciones). Sin em bargo, inicialmente concebido como elemento de mando local, resulta difícil su interfaz con el usuario y tiene mal resuella la conexión a redes, excepto si se trata de especificas de fabricante, Tampoco tiene resuelta de forma es tándar la conexión con medios exter nos de almacenamiento masivo. La memoria del A P I es además un bien escaso que debe administrarse con cui dado, y no contiene por ello, general mente, más que el propio programa que se está ejecutando junto con unos po cos datos y variables. En cuanto al software, el PC resulta muy eficiente en el tratamiento de la información por la versatilidad de sus sistemas operativos, la abundancia de lenguajes de programación, la potencia de cálculo matemático (coma flotante, notación científica, librerías de cálculo), la capacidad de gestión de dalos (tablas, menús. ficheros) y el empleo de len guajes simbólicos de alto nivel. E l au tómata, en cambio, concebido para eje cutar tareas concretas de automatiza ción, incorpora un sistema operativo rígido decidido por el rubricante y sin posibilidad de actualización, gestiona un bujo volumen de información y tie ne limitados sus lenguajes de progra mación y el número y tipo de instruc ciones posibles. Por contra, los sistemas operativos de los PC se adaptan mal al trabajo en tiempo real y son lentos en la gestión de los adaptadores de F./S (aun siendo multitarea, el cuello de botella está en la presencia de un único microproce sador, que limita el tratamiento a monoproccso), mientras que los A P I. con un sistema operalivo dedicado, bajo vo lumen de datos, y posibilidad de tra bajo en multitarea y multiproceso -so bre todo en sus gamas altas— permiten respuestas muy rápidas pura la mayor parte de procesos, prácticamente en tiempo real si las variables involucradas son de tipo discreto (todo-nada). En cuanto a seguridad de funcio
namiento los autómatas han sido con cebidos para trabajar en el entorno in dustrial, con estructuras compactas o modulares robustas y de fácil acceso y sustitución en caso de avería, suficiente protección mecánica y electromagné tica, aislamiento de E/S v alimentacio nes, y guardas («wutehdog») internos por hardware capaces de detener la eje cución y de activar señales de adver tencia en caso de pérdidas de control sobre la planta atribuibles al propio aulómala. El PC’ de uso general, mucho más sensible a alteraciones del medio, exige entornos poco agresivos e invariantes en el tiempo, no incorpora sistemas de aulovigilancia. y en caso de cuida de tensión resulta difícil la reinicialización en caliente sin pérdida del estado pre vio de las variables. El análisis anterior muestra cómo, en general, i j autómata está bien resuelta en cuanto al hardware de interfaz ron la planta y seguridad de funcionamiento, y cómo el PC le supera en cuanta a po tencia de programación e interfaz con usuarios y otros sistemas. Esta especialización. que relleja la evolución natural de ambas máquinas, los autómatas desde los armarios de mando de relés, y los PC desde los grandes ordenadores de procesos, y que se mantiene aún hoy día pese a la ten dencia de ambos sistemas a mejorar sus prestaciones acercándolas entre si, de termina los campos de aplicación res pectivos dentro de las cadenas indus triales. Así, los A P I siguen siendo máquinas capaces de dialogar con el proceso en tiempo real, pero con pobre interfaz humana y poca capacidad de gestión de datos, mientras que los PC, pese a las mejoras habidas para su aplicación in dustrial en cuanto a fiabilidad y modularidad, continúan siendo en general, por su capacidad de interfaz y de pro ceso, más adecuados para supervisar y controlar los elementos de campo (A P I, P ID , etc.) y presentar adecuadamente los resultados de la explotación. La solución industrial alcanzada (fi gura 16.2) pasa por utilizar autómatas o redes de autómatas actuando como control inmediato de planta, junto con otros reguladores y unidades E/S de conexión directa a bus de campo, uni do todo ello a uno o varios ordena
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dores P C enlazados o no entre si, que se encargan de las operaciones mate máticas complejas, resolución de al goritmos analógicos, gestión de datos, conexión con dispositivos específicos E/S (lectores de código, lápices ópticos, etc.), presentación de resultados, etc., y de presentar una interfaz amable con el usuario: pantallas sinópticas de plan ta, táctiles o no, menús guiados, ayudas en linea, etc., formando un sistema mixto que puede ser autónomo o de pendiente a su vez de estructuras je rárquicas superiores. Independientemente de la estructura anterior, pero buscando obtener ia mis ma funcionalidad, aprovechar la fa cilidad de interfaz con el usuario del PC y la potencia de conexión del au tómata con la planta, existen algunas soluciones comerciales más o menos ingeniosas para combinar ambas má quinas. Por ejemplo, Siemens dispone de una tarjeta de procesador i80386sx (Slot-PLC) con un programa monitor incorporado que le permite emular la funcionalidad de una C P U de autómata programable. La tarjeta se coloca en una ranura estándar de PC e inmediatamente se pueden controlar los módulos perifé ricos del P L C SIM A T 1C S5-I00U que establecen conexión con el proceso de fabricación. De esta forma se integra el A P I en el entorno abierto de los or denadores personales: la captura de da los del proceso vía E/S estándar de au tómata se combina con la posibilidad de integrar lenguajes de alto nivel para ejecución cíclica desde el procesador de la tarjeta, resultando un híbrido que emula a un autómata de altas presta ciones, pero con todo el soft y hard de sarrollado para PC disponible para in tegrar en la aplicación En general, la utilización de solu ciones combinadas basadas en PC para supervisión y monitorización y en A PI para captura y mando de variables de planta ofrece una gran flexibilidad operativa, factor muy importante en procesos de fabricación que depen den cada vez más de una demanda fle xible, frecuentes variaciones en las es pecificaciones de los productos y sis temas de comunicación basados en re des de ámbito local, nacional o inter nacional.
mejorn de la Habilidad es la disponi bilidad sobre las placas de control de un temporizador de vigilancia («watehdog timer»), que protege contra las caí das del sistema o pérdidas de programa en el ordenador provocadas por errores inesperados, reinícializando la C P U tras un tiempo selcccionahle por el usuario mediante software o «microswilches». Pero la robustez y la fiabilidad no son los únicos requisitos exigibles a un PC industrial: por su potencia de cál culo y capacidad de almacenamiento el PC ocupará normalmente niveles in termedios en la estructura jerárquica de automatización, por encima de los ac tuadores y controladores de campo (au tómatas, reguladores P ID , etc.), y por debajo de los ordenadores de proceso («mainframes») que centralizan la ges tión de la planta, planificando el trabajo y estableciendo las estrategias de pro ducción. Por ello, otro requisito importante para un PC industrial ha de ser la ca pacidad de comunicación con todos es tos elementos, que en conjunto con figuran la red de comunicación. Esta comunicación se establece (fi gura 16.3) en dos direcciones:
delo jerárquico desarrollado en la ligura 16.3. implcmentando por software los protocolos de comunicación con los elementos adyacentes:
— en vertical, en doble sentido • con niveles superiores, para en viar resúmenes y recoger estrate gias de producción (en forma de programas completos o menús de parámetros) • con niveles inferiores, para re coger informaciones de planta y enviar órdenes de actuación (for zado de variables, habilitación y disparo de rutinas, etc.) — en horizontal, con otros sistemas jerárquicos semejantes para coor dinación.
El diseñador o el instalador de un equipo industrial basado en PC conoce con seguridad cuál va a ser el entorno de trabajo normal de dicho equipo, y debe estar en disposición de garantizar el funcionamiento hasta un cierto nivel de riesgo. Obviamente, es necesario también que el usuario final conozca con exactitud cuál es este nivel y las condiciones límite que el sistema será capaz de soportar. Para facilitar este co
Estas transferencias son soportadas por redes y buses estándar o específicos de fabricante (capitulo 15), o, a grandes distancias, por redes públicas. En cualquier caso, la red ha de pre ver bajo volumen de información, pero alta velocidad de transferencia a nivel de planta (respuestas en tiempo real), y grandes flujos de datos a baja velo cidad en los niveles de gestión. Por sus características básicas de ve locidad y capacidad de procesamiento, el PC se ubicaría en el centro del mo
nocimiento, los equipos industriales se fabrican, ensayan y clasifican según su grado de cumplimiento de ciertas nor mas o recomendaciones. La seguridad en el funcionamiento del equipo viene dada, además de por la correcta instalación, por el empleo de subsistemas y partes garantizados (homologados) y clasificados atendien do a normas de difusión general: IEC , D IN , V D E . N EC , etc. Una caracterís tica importante es el frailo tic protec ción, cuanlificado según códigos IP o N E M A , que indica la resistencia del equipo frente a agresiones intrusivas externas por polvo y agua o gases (ver Anexo IV , «Normalización electromag nética y niveles de protección de equi pos industriales»). Asi, por ejemplo, un ordenador con IP 65 garantiza protección total contra polvo y contra lanzamiento de agua desde todas direcciones. Una vez que el usuario ha cuantificado el nivel de agresión que su equipo debe soportar, podrá exigirle el cum plimiento de determinadas normas o especificaciones. Un ordenador puede sufrir agresio nes principalmente de tres tipos [1|:
— autómatas y otros elementos de in terfaz con el proceso, — otros PC y terminales de opera dor, — redes de área local, — buses de campo de dispositivos he terogéneos. En cuanto a accesibilidad y expan sibilidad, la disponibilidad de «slols» (concentres) de expansión conectados a bus estándar garantiza la fácil actua lización y ampliación del equipo, por simple sustitución de unas tarjetas por otras más actuales, además de permitir la libre configuración del sistema. Si el equipo es además compatible, el usua rio evita caer en la total dependencia de un solo fabricante, con los riesgos de incrementos de precios y deficien cias de servicio que supone.
16.4. P R O T E C C IO N E S EN E l. PC IN D U S T R IA L
— electromagnéticas. — mecánicas. — químicas. Entre las normas de protección elec tromagnética más importantes que un dispositivo debe cumplir en un am biente industrial están las que hacen referencia a la compatibilidad y sus ceptibilidad electrom agnética (por ejemplo, según recomendaciones IE C
Figura 16.3. Modelo jerárquico de automatización.
GESTIÓN
<1
o tro s s is te m a s
1>
y* v e n ta s \- estad ísticas -planificación e s t r a te g ia s
CONTROL D.E PRODUCCION SU P E R V IS IO N DE P LA N T A
MANDO Y REGULACIÓ N
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toma de decisiones •menús producción m antenim iento stó rico s lar m as ejecu ción ta re a s - m o n ito n z a o o n
HO11, que limitan los niveles de emisión de interferencias y establecen la ro bustez del equipo frente a la recepción de las mismas. El ordenador además debe ser capaz de trabajar con distintas tensiones de red, o con variaciones im portantes de la misma, soportar sobre tensiones. cortes y transitorios en las lincas de alimentación, etc. (por ejem plo. recomendaciones 1EC 65A), En el ambiente industrial es habitual la presencia de ruidos eléctricos y pun tas de tensión, que el equipo deberá soportar sin alteraciones. Filtros en la entrada de alimentación y aislamiento optogalvánico en las entradas de señal son soluciones frecuentes de los fabri cantes para asegurar la inmunidad fren te al ruido eléctrico ambiental. En cuanto a protección mecánico, debe asegurarse que el PC se encuentre alejado de grandes máquinas que pue dan provocar fuertes vibraciones, debe poder soportar golpes e impactos di rectos de piezas de producción o de secho. etc. Dado que es muy evidente el tipo de agresión mecánica a la que el PC está expuesto y, por lo tanto, sencilla su protección mediante barreras, uso de amortiguadores («silent-block»), etc., no son generalmente estas agresiones las que acaban por destruir al equipo, sino otras de acción más soterrada y electos acumulativos: las agresiones químicas, principalmente por introduc ción de polvo, agua y humedad o gases dentro de la circuiteria electrónica. Para evitarlas, es imprescindible garantizar la estanqueidad, sellando todas las aberturas, esquinas y puntos en general de posible entrada de cuerpos extraños mediante juntas apropiadas, incluso co locando pantallas y puertas protectoras de cierre estanco. Siendo la temperatura un factor de riesgo importante en la fiabilidad de los equipos electrónicos, los PC industria les incluyen en el chasis o bastidor uno o más ventiladores que facilitan el en friamiento de la fuente de alimentación ' circuiteria, y crean en el interior una presión de aire que impide el depósito de polvo y agentes en suspensión. La fiabilidad del equipo mejora aún más si dispone de algún método de monitorización y control de tempera tura interna, de las lineas de alimen tación, y del hardware en general, por
lo que es frecuente encontrar estas fun ciones de seguridad en máquinas que ya han sido diseñadas pensando en su aplicación industrial En concreto, los fabricantes adoptan soluciones como señalizar externamen te la indicación de anomalía, mediante una señal auxiliar que puede servir para detener el proceso o transferir el con trol a otro elemento, desarrollar arqui tecturas tolerantes a fallos (redundan tes). que aseguran el mantenimiento del sistema aunque caiga una de las partes, etc. Además de las protecciones anterio res. que hacen referencia a la fiabilidad del propia equipo hardware, debe tam bién garantizarse, en la medida de lo posible, el control de flujo del progra ma. La existencia de relojes hardware («watchdog») que disparen una alarma si no se reinicializan cada cierto tiempo (ciclo de ejecución del programa en eje cución), o al menos la introducción de algún tipo de temporización por soft ware de igual función que la anterior, que garantice la protección contra fallo por caída del programa en bucles in ternos de ejecución indefinida, multi plican lu fiabilidad de cualquier apli cación critica, tanto más claramente cuanto más difícil de depurar sea el programa o más duro el ambiente de trabajo.
16.5. CONFIGURACIÓN HARDWARE DEL PC INDUSTRIAL Los PC industriales responden a la arquitectura estándar PC, articulada mediante buses en torno a un sistema |iP. Los elementos que los forman son: — C P U y memoria interna, — interfaces E/S analógicas y digi tales, — controladores (de disco, teclado, monitor, etc.), — memorias masivas, — periféricos de entrada y salida de datos (monitor, teclado, etc.). Buses de interconexión. El microprocesador que incorpora el equipo determina, en gran medida, la potencia y prestaciones que pueden es perarse del sistema. Este procesador debe complementarse con la suficiente
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memoria R A M . para permitirle sopor tar aplicaciones complejas, actualizar con facilidad los datos y ejecutar con rapidez los programas. Las interfaces E/S soportan los cir cuitos de captura y adaptación de señal en la entrada, y de adaptación y am plificación en la salida, para conexión de la C P U con el exterior, bien con sus periféricos (monitor, teclado, etc.), bien con la planta (señales analógicas/digi tales). De las controladoras de interfaces depende el volumen de las transferen cias que el sistema pueda soportar, y la velocidad a que se realicen éstas. Las memorias masivas, de soporte magnético, óptico o semiconductor, son imprescindibles para aquellas aplicacio nes que deban generar históricos, es tadísticas y tendencias. En un PC in dustrial presentan frecuentemente ca rácter modular o enchufable, lo que fa cilita su transporte y sustitución. Los buses internos, en su doble ver tiente de interconexión entre tarjetas E/S y enlace con periféricos, aseguran el flujo de datos y las transferencias de órdenes. Son muchas veces sus pres taciones en cuanto a anchos de bus (numero de bits transmitidos simultá neamente) y banda (frecuencia máxima de transferencia) las que limitan el fun cionamiento del sistema.
16.5.1. Unidad central de proceso memoria interna
y
De la familia Intel 80xx, o compa tibles suyos, los microprocesadores in corporados al PC han evolucionado desde los primeros 8088. con bus de dalos de 8 bits, 1 M byle de capacidad de direccionamiento de memoria, y 4,77 M H z de reloj, hasta los actuales Pentium, con bus de datos de 64 bits, 128 Mbytes de direccionamiento de memoria y 120/200 M H z de reloj, en una evolución que continuará mejo rando paso a paso las prestaciones de los microprocesadores disponibles. Por ejemplo, sobre la generación anterior de procesadores Intel 486, el nuevo Pentium ofrece ya 16 Kbytes de R A M caché interna, arquitectura superescalar, proceso continuo de cálculo en coma flotante («floating point pipelining») y menor tiempo de ejecución (figura 16.4).
486 DX-33 486 DX2-66 486 0X4-100 / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / \ « 5
v////////////m///m///7///rm™ -a ta en
P e n tiu m 60 P e n tiu m 80 P en tiu m 100
'////////////////////////////////////////////////////////A 815 100
200
300
ZOO
500
600
700
800
900
Finura I6.-I, Comparación de velocidad en procesadores Intel. Patio Intel iCOMP. Junto al procesador, y en caso de que no vaya incluido dentro de éste (486, Pentium), puede aparecer un coprocesador, o el zócalo para albergarlo, que será necesario en aplicaciones que ne cesiten gran cantidad de cálculos de ejecución rápida. En aplicaciones típicas, que no exijan manipular muchos datos y con nece sidades gráficas poco exuberantes, un ordenador basado en 80386 u 80486 es ya suficiente, aunque si el programa a ejecutar es largo y se requieren res puestas muy rápidas será necesario lle gar hasta modelos más actuales, hoy basados en Pentium a 120/200 M Ilz , y con 32/64 Mbytes de memoria de tra bajo R A M . La memoria interna R A M disponi ble, limitada por la capacidad de direccionamiento del procesador, es ampliable en módulos S IM M (Memoria Simple en Línea) discretos de 2, 4, 8. ... Mbytes. con tiempos de acceso menores a 70 ns. Además de la R A M principal del sistema, otra memoria a considerar es la caché, R A M conectada directamente al bus local del micro en los 386. 486 y Pentium (32 Kbytes, 256 Kbytes y 512 Kbytes respectivamente), que se utiliza para almacenar transi toriamente datos de acceso continuo. Cuando los mismos se necesitan de nuevo, no tienen que ser buscados en la R A M del sistema, ganándose de esta forma velocidad de proceso. Al igual que la principal, esta caché se encuen1ra físicamente en la misma tarjeta que contiene a la C P U . Los 486 y Pentium
disponen de una R A M caché adicional integrada en el propio micro, hasta 16 Kbytes. No debe confundirse esta ca ché con la de disco duro, debida a que el procesador de acceso destina una parte de R A M principal a caché de dis co, para acelerar el acceso a los datos contenidos en él. Parte de la R A M direccionada puede aparecer en forma de módulos C M O S alimentados con balería, que permiten salvaguardar datos cruciales si ocurren caídas bruscas del sistema.
16.5.2. Interfaces E/S y controladores Las interfaces, o canales de comu nicación. del PC industrial son las del PC genérico: - I puerto serie RS-232. - I puerto serie configurable RS232/422/485. 1 puerto paralelo bidireccional, configurable a Centronics, - interfaces para teclado y ratón, ... más los específicos de aplicación in dustrial: — canales de E/S analógicos y digi tales. necesarios para el acceso a la planta, montados sobre tarjetas de expansión conectables al bus. Las (tarjetas) controladoras de inter faz gobiernan las transferencias de da tos entre el sistema microprocesador y
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sus periféricos exteriores, típicamente teclado, monitor y discos de almace namiento magnético además de los puertos serie y paralelo. La tarjeta controladora de video ha evolucionado desde las primeras C G A (Colour Graphics Adapter) hasta las ac tuales V G A y S V G A (Super/Video Graphics Array), con resoluciones ma yores de tOOOXlOOO pixels o puntos de pantalla (por ejemplo, 1280X1024), e in cluyendo en la tarjeta R A M auxiliar de vídeo de hasta 1 Mbyte. Los controladores de transferencia de datos más frecuentes utilizados es tán basados en los estándares ID E / E1DE («lntegraled Dríve Electronic/ Enhanced ID E » ) y SCS1/2 («Small Computers Systems Interface»), Los primeros se utilizan para con trolar discos duros, hasta 2/4 unidades de 540 Mbytes/1 Gbyte, mientras que los segundos definen interfaces para in tercambio de datos a gran velocidad, hasta 132 Mbytes/s unidos a bus in terno PC I, con bajo tiempo de acceso, menor de 0,5 ms. Cada controlador S C S I permite la conexión de la C P U con siete elementos externos que in corporen esta interfaz, por ejemplo, unidades de alta capacidad de alma c e n a m ie n to , com o d isco s duros, «floppys drives», casetes de cinta mag nética. unidades C D -RO M , discos magneloópticos, escáneres, etc. Para aplicaciones industriales, ade más de las controladoras de periféricos debemos contar con las de interfaces E/S analógicos/digitales de enlace con planta. En su forma más sencilla, estas con troladoras deben resolver únicamente las direcciones de acceso a señales E/S y los niveles de interrupción utilizados. Las más complejas resuelven además la comunicación con unidades de en trada/salida remotas, el acceso directo a memoria (D M A ), etc. En un apartado posterior, donde se describe al PC como elemento de control de planta, se tratarán con más profundidad las tar jetas de interfaz E/S.
16.5.3. Memorias masivas Como memorias de gran capacidad los PC utilizan fundamentalmente dis co magnético, aunque en la actualidad están empezando a incorporar discos
ORDINADORI* INDUSTRIAL!* CO M M TW LH RC [* ; ■ •
ópticos con capacidades de decenas de gigabytes. Para aplicaciones industriales, donde la vibración podría afectar a las partes móviles de los clásicos discos magné ticos, se han desarrollado también me morias masivas de semiconductor, bien en forma de módulos (chips) de me moria conectados en batería sobre pla ca enchufable (discos de estado sólido («Solid State Disk»), bien en forma de tarjeta plástica con la memoria de se miconductor empotrada (tarjeta de me moria, «Memory Card»), Las diferentes tecnologías de alma cenamiento presentan características diferenciadas en cuanto a tiempo de acceso y capacidad, como muestra cua litativamente la figura 16.5, donde apa recen las memorias caché e interna a efectos de comparación. La clasificación de memorias masi vas para PC industrial, según la tec nología empleada, queda entonces de la siguiente forma:
Almacenamiento por campo magnético — Discos .flexibles («Floppy Disk») En formato 3 1/2", idéntico a los utilizados en aplicaciones genera les, combinando pequeño tamaño con buena rigidez mecánica y su ficiente protección. Las unidades de disquete son empleadas para transporte de información, copias de seguridad, almacenamiento de programas, etc., actividades que no
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exigen velocidades de transferen cia elevadas. - Disco duro («llard Disk») Disponibles como opción enchu fable e incluso portátil, en for matos 5 1/4" y 3 i/?", capacidades de hasta varios gigabytes, y con troladoras que permiten velocida des de transferencia de decenas de megabytes por segundo, el disco duro se ha convenido en el prin cipal destino para almacenamiento de información en un PC, tanto de uso general como de uso especi fico industrial. C'inla magnética («Carlridge Slrcaming Tape») Con formatos 5 1/4" y 3 1/2" y ca pacidades de centenares de me gabytes, la cinta es utilizada para almacenamiento de información secuencial y no crítica en el tiem po, por ejemplo, copias de segu ridad, bases de datos de produc ción, etc.
Almacenamiento óptico — Discas ópticos («Compact Disk, C D RO M /ED O D ») Los discos ópticos se basan en la impresión, con ayuda de un rayo láser, de una microdeformación sobre una superficie plástica. En la lectura, el cambio de dirección en (a reflexión de un haz láser inci dente de baja potencia es detec tado por el lector e interpretado
Figura 16.5. Diagrama cualitativo de jerarquías de memorias masivas. T iem p o de acce so
cin ta m ag n é tica
d isco ó pnco d is c o fle x ib le d is c o duro T o rjeta de m em oria d is c o de e s ta d o só lido
como información «1» o «0», Con grabación en principio irreversible (aunque empiezan a aparecer uni dades de lectura/escritura tipo H D O D «Erasablc Digital Optica! Disk»), los discos ópticos son de gran fiabilidad al no estar afecta dos por los campos electromag néticos frecuentes en el medio in dustrial. y de larga vida, por la au sencia de contactos mecánicos en tre la unidad de almacenamiento y la cabeza lectora. Con capaci dades típicamente 10 veces ma yores que los discos magnéticos, los discos C D RO M (sólo lectura) que se utilizan actualmente como soporte de datos (bases de datos, documentación, etc.) darán paso en la industria a los C D alterables E D O D (de lectura-escritura) cuan do la tecnología llegue a ofrecer productos totalmente fiables a bajo precio. Entonces el soporte óptico será sustituto completo del mag nético, que subsistirá sólo en pe queños formatos flexibles para re cogida y transporte de datos di námicos. lin o de estos nuevos so portes ópticos es el disco magnetoóptico, M O D D («Magneto Optical Disk Drive»). Se escribe con un fuerte rayo láser que calienta los puntos que deben ser marca dos y un cabezal magnético que modifica en caliente las caracterís ticas de reflexión, y se lee con un rayo láser débil que detecta las va riaciones de reflexión en la super ficie del disco. Si el cabezal de es critura (láser fuerte y cabezal mag nético) y el de lectura (láser débil) están separados, la unidad leerá mucho más rápido de lo que es cribe. La unidad típica se comer cializa en formato 3 1/2", con ca pacidades superiores a 250 Mbytes. IJn a v a ria n te e c o n ó m ic a del M O O D es la W O R M («W rite Once Read Mostly»), que se escribe una sola vez, por ejemplo, para alma cenar dalos históricos de una ins talación en su puesta en marcha.
Almacenamiento en memorias de semi conductor C a p a c ia a o
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— Discos de estado sólido («Solid Sta te Disk») Las memorias (chips) de semicon
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ductor utilizadas en estas tarjetas deben permitir el almacenamiento y mantenimiento de los datos, y su sustitución si resulta necesario, por lo que deben ser memorias de lec tura/escritura, o al menos reprogramables Las memorias usadas son: • R A M +- batería, memorias vo látiles de lectura/escritura pro tegidas por batería contra las pérdidas de tensión. • F.PROM , memorias programables permanentes, que son bo rradas (en su totalidad) al so meterlas a radiación ultravioleta • E J PR O M o Flash-EPROM , me morias permanentes que pueden ser modificadas (escritas y bo rradas) posición a posición sobre el propio circuito. Estas me morias, organizadas en módulos de decenas de kilobytes, pueden aparecer montadas sobre tarjeta enchufable em ulando discos magnéticos desde 360 Kbytes hasta decenas de megabytes. La tarjeta resultante, que se deno mina disco de estado sólido, es identificada por software como una unidad D O S (A , B, C,...), y tratada como tal en una interfaz totalmente transparente al usua rio y al resto del sistema, con las ventajas que supone trabajar so bre una unidad de disco sin des gaste mecánico e insensible a las vibraciones. — Tarjetas ile memoria («Memory Cards») Tarjetas plásticas de aspecto si milar a las populares tarjetas mag néticas (figura 13.2). que contienen en su interior memoria de semi c o n d u c to r E P R O M o F lash E P R O M . con capacidades de me gabytes y lector semejante al del disco flexible, con lectura serie sín crona de alta velocidad, pero con ia ventaja de acceso estático, sin intervención de partes móviles. 16.5.4. Buses de interconexión Los sistemas de bus son muy fre cuentes en aplicaciones de automati zación, ya que permiten seleccionar y combinar el hardware óptimo para una cierta tarea de control.
En sentido amplio, un bus debe con templarse simultáneamente como un concepto físico y lógico. Físicamente, el bus consiste en una serie de lineas que transportan las se ñales eléctricas en paralelo, entre dife rentes placas o módulos electrónicos. Sobre estas líneas se disponen los co nectares. en los que se insertan direc tamente las placas u otros eoneetores de cable plano que lleven a ellas. El bus y los eoneetores están montados sobre un soporte metálico («baek-plane») que, opeionalmenlc, contiene además fuentes de alimentación, ventiladores y espacios mecanizados para la inserción de módulos compactos. Lógicamente, el bus se define por el conjunto ¡le renitis, .formatos y sincronis mos (protocolos) que intervienen en el intercambio de dalos. Cualquier tarjeta fisica y lógicamente compatible con un bus puede operar sobre él, trabajando conjuntamente con otras tarjetas también compatibles. In cluso diferentes C P U pueden trabajar sobre el mismo bus si se respetan los protocolos. Esta propiedad, junto con la caída de precios de la electrónica in tegrada, hacen económicamente posi ble distribuir la inteligencia (micropro cesadores) entre las placas conectadas, repartiendo las tareas de control entre ellas mientras se comparten los recur sos comunes, memorias y otras uni dades. como discos e impresoras. Existen diferentes tipos de infor mación que deben ser transferidos en tre los elementos que componen un sistema con microprocesadores, desde los códigos leídos en la memoria de programa hasta los bloques de infor mación que se mueven desde y hacia las memorias de almacenamiento ma sivas, pasando por las transferencias puntuales realizadas sobre los disposi tivos de entrada/salida y los intercam bios de dalos entre los micros. Dado que la frecuencia de las transferencias, la velocidad de las mismas y el volu men de los datos involucrados no son los mismos, parece evidente que los buses de interconexión entre los ele mentos del sistema deben tener distin tas características según la naturaleza de éstos. Funcionalmentc |4], pueden ser definidos los siguientes tipos de bu ses sobre un sistema microprocesador (figura 16,6):
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- Rus interno acoplado ti la ( l ‘L («Local Bus» o «Processor Bus»), que, partiendo de las propias pa tillas fisicas del pl\ ¡ntereoneeta circuitos de una misma placa a ni vel de componente, probablemen te (co)proccsadores, controladores de interrupciones, memoria rápida (caché), ele. (figura 16.7). Será un bus de alta velocidad. Con gran nú mero de señales de control (IN T , IO/M . T E M P . W A IT . etc.) y so portando pequeños volúmenes de datos en cada transferencia. Ejem plos típicos a este nivel son los bu ses |.iP m-oul de fabricante. — Bus del Sistema («Buck-Planc Bus», o «System Bus»), que interconecta las C P U con las unidades de me moria y controladores de E/S. pro bablemente montados en tarjetas sobre bastidor o insertadas en los eoneetores de la placa base («mother-board»), con transferencias pa ralelo en alta velocidad. Este bus está compuesto de tres partes o «sub-buses»; datos, direcciones y control (figura 16.8), con lincas procedentes del bus interno am plificadas con los «drives» corres pondientes, en configuraciones abiertas que no quedan limitadas a un único rubricante. Ejemplos: E I S A , V M E , M C A , M u llib u s . ST D . NuBus. etc Aunque en el texto se tratan los bu ses de placa y sistema como sinónimos, esto sólo es cierto para pequeños sis temas, como es el caso de un PC. En general, los buses de placa («Back-Plane Bus») intcrconectan las tarjetas que forman un terminal inteligente sobre panel estándar o sobre la placa madre («mother-board»), utilizando del orden del centenar de señales sobre lincas de poca longitud (menor de un metro). Los buses de sistema («System Bus») intcrconectan los distintos bastidores que forman una unidad de control completa, de mediano o gran tamaño, con líneas relativamente largas (ma yores de cinco metros), Estas longitu des obligan a considerar el bus como un conjunto de líneas de transmisión, que necesitan resistencias de termina ción de línea para adaptación de im portancia y amplificadores («hulVers») intermedios que restauren el nivel de
ORDINADOfttS INDUSTRI COMPATIBUB PC
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res, quienes fijan en gran parte las pres taciones del sistema en aplicaciones de planta. Desde el primer ordenador industrial de IB M . con pP 8088 y anchura tic bus del sistema de 8 bits, los rápidos avan ces en potencia del microprocesador han ido haciendo evidente el cuello de botella que suponen las lentas trans ferencias por estos buses del sistema y expansión, desde y hacia los periféricos conectados. Asi, el bus del sistema evoluciono rápidamente hacia el estándar A T ISA (Industry Standard Architccture, 1084) con 16 bits de ancho de palabra y 24 bits de direcciones (16 Mbytcs direccionablcs), que equipó a los modelos de PC ya obsoletos con pP 80286. Posteriormente (1987), con los nue vos microprocesadores de 32 bits pP 80386 IB M lanzó el bus del sistema de igual ancho de palabra MCA (Micro Channel Architecture) que equipa la nueva gama de microordenadores IB M PS/2, en un intento de sustitución de
Figura 163). Procesador de acceso a red local H025S de Intel.
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los populares IB M PC o compatibles. M C A soporta 16 bits de dalos y 24 do direcciones (16 Mbytes). aunque puede ampliarse con conector adicional hasta 32 bits de datos y 32 de direc ciones (4 Gbytes). Es básicamente un bus asincrono, con capacidad (limitada) multimaestro (más de una C P U sobre el bus), test automático en la puesta en tensión, auloidenlificación de placas y configuración del bus por software. D esgraciadam ente, el nuevo bus rompe la compatibilidad con los pro ductos IS A anteriores, muy implanta dos en el mercado, por lo que un con sorcio de Ó fabricantes (Compaq, AST. Fpson. Hewlett Packard. Nee, Olivetti. Tandy, W yse y Zenith) lanzó la alter nativa E ISA (Extended Induslry Stan dard Architecture, 1988). también de 32 bits, pero manteniendo la compatibi lidad con los productos ISA existentes. Al igual que en M C A , su bus de da tos puede configurarse a 8. 16 o 32 hits, mientras que con sus 32 lineas de di recciones pueden direccionarse tam bién hasta 4 Gbytes. Como M C A , E IS A soporta estructuras multimaestro, identificación de placas por hardware y autoconfiguración del bus. La mayor ventaja de E IS A sobre M C A es el gran número de fabricantes de hardware para el estándar, lo que facilita la tarea de selección de placas para una apli cación dada. Como ejemplo típico de bus de ex pansión E/S está SC S I («Small Computers Systems Interfacc»), un interfaz estándar para bus paralelo de 8 bits (16/32 bits en SCS1-2) con velocidades de transferencia de hasta 10 Mbytcs/s. que soporta hasta ocho periféricos co nectados. discos duros, impresoras, cin ta magnética, etc., y. en la actualidad, muchos productos de las series mul timedia. como CD-RO M . tarjetas de sonido con puertos M ID I y entradas/ salidas para micrófonos y amplifica dores. Cada periférico incorpora su propio procesador SC SI, actuando uno de los conectados (generalmente, el contro lador unido al bus del sistema o al bus local) como maestro de las transferen cias. aunque técnicamente es posible que exista más de un maestro conec tado. Conocidas las especificaciones del bus. y el conjunto de comandos C C S
(«Common Command Set») que un dispositivo debe soportar para ser con siderado compatible S C S I, los (abo cardes de hard pueden desarrollar los controladores necesarios para los pe riféricos que fabrican, impresoras, dis cos W O R M ( « W r i t e O n c e Read Manyw). otros procesadores, etc., faci litando la conexión directa de estos al sistema PC. Frente a otros controladores de Ín terin/ paralelo como A T A («A T Attachmcnt», muy conocido como ID E , «Integrated Drive Electronic»), una es pecificación de 16 bits para bus ISA , los controladores SC S I ofrecen capacidad multitarea, mayor expansibilidad -siete dispositivos frente a dos—, y mayor va riedad de periféricos conectables, im presoras. discos, etc., frente a prácti camente sólo discos para ID E. Dada la existencia de especificacio nes publicas para el desarrollo de con troladores S C S I (A S P I, «Advanced SC SI Programming Interface», C A M , «Common Access Method», etc.), y la continua evolución de este estándar, es de prever que continuará su uso como bus de expansión E/S para periféricos de media velocidad, frente a otras al ternativas basadas en buses IS A / E IS A Incluso estos buses mejorados para PC reducen las prestaciones posibles en los sistemas de gama alta, que com
Figura
16.10.
An/uiieclura general de bn\ local.
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binan microprocesadores de gran po tencia de cálculo (80486. Pentium ...) con discos, tarjetas de video y otros pe riféricos actuales de altas prestaciones que sin embargo siguen forzados a transmitir sus datos sobre estos buses de relativa baja velocidad. La solución pasa por utili/ar sobre el PC sistemas de bus local, que sacan los periféricos fuera de los buses de sis tema y de expansión de entradas/sali das y los colocan directamente sobre un bus propio de alta capacidad (bus local), conectado directamente al rá pido bus del procesador (figura 16.10). Con anchos de banda superiores a los 100 Mbytes/s. los buses locales evitan la saturación entre el procesador cen tral y los buses de expansión periféricos clásicos. Comparados con el estándar IS A de 16 bits de dalos y 8 M H z de reloj, los sistemas de bus local emplean buses de datos de 32 bits y velocidades de hasta 50 M llz . Estos buses permiten a los periféricos de altas prestaciones, como tarjetas de video, adaptadores de red, controladores de disco, etc., «saltarse» la arquitectura tradicional de buses IS A / E IS A de los PC y acercarse a la C P U . mientras los periféricos de bajo ancho de banda, como los faxes, cintas magnéticas, impresoras, etc., no son afectados. Por esta razón, y para man-
tarjetas simultáneamente conectadas con gestión avanzada de las lineas («bus mastering»), lo que permite a perifé ricos inteligentes tomar el control del bus y acelerar las tareas de mayor prio ridad. Diseñado para soportar buses de da tos de 32 bits a 33 M Hz, con puntas de transferencia de 132 MBytes/s, PCI ofrece configuración automática, que permite a los controladores de perifé ricos conectados intcractuar con el sis tema para determinar las interrupcio nes IR Q a elegir y los valores por de lecto, soportar hasta 10 periféricos PCI (con cinco de ellos sobre la misma pla ca base), utilizar gestión avanzada de bus y mantener interfaces estándar, por lo que constituye una excelente solu ción para ¡nterconeclar varios periféri cos que realizan múltiples tareas si multáneamente. Estos buses locales, que según la descripción anterior podrían ser con siderados buses particulares de expan sión de entradas/salidas, abren el ca mino a aplicaciones futuras como mul timedia, vídeo avanzado, sonido Hi-Fi, etc., y tendrán una incidencia directa en las potentes interfaces futuras entre
tica se emplea como un canal barato de transmisión de vídeo de alta velocidad (Video Bus Local). Diseñado para co nexión directa al bus del procesador ¡80486 (figura 16.11), VL-Bus es un ver dadero bus local, con sus ventajas y desventajas. Como ventaja, el adapta dor del bus (« V L Bridge Adapler») consiste en unas pocas puertas lógicas que gestionan el sincronismo con el bus del procesador, lo que permite altas ve locidades de transferencia, mientras que su desventaja, obviamente, es que para funcionar con otros procesadores no compatibles con Intel, el bus ne cesita de controladores de transferen cia, que encarecen y ralentizan su fun cionamiento. El segundo, PC I («Peripheral Com ponen! Interconnect») [6], desarrollado por Intel en 1991 e impulsado por la asociación P IC M G (« PC I Industrial Computer Manufacturers Group»), fue diseñado como una arquitectura de bus para entornos abiertos, no dependien tes del modelo de procesador, lo cual permite, unido a sus completas espe cificaciones, brindar un estándar sofis-
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a
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usuario y planta, en las aplicaciones in dustriales del PC. Por otra parte, et mercado de peri féricos y fabricantes de equipos ha ¡do desarrollando sus propias arquitecturas de bus, que permiten articular sistemas de control de arquitectura no PC (V M E , M U LT 1 B U S , etc,), o ser incor poradas al PC con los puentes de co nexión («gateways») adecuados, para permitir la compatibilidad directa de los productos PC con estos otros perifé ricos industriales, desde sencillos sen sores y acluadores, hasta complejos sislemas de control, visión artificial, etc. La tabla 16.2 muestra algunos de es tos buses comparados con los clásicos de PC 1SA/E1SA/M CA, y con un bus de expansión E/S, S C S I 11. Se comenta a continuación el bus V M E , muy significativo por representar un claro estándar (en expansión) de mercado. V M E (« V E R S A Module Eurocard». Módulo Europlaca Versátil) es un bus paralelo asincrono multiprocesador de larga tradición de mercado (desde 1981. estándar 1EEE-1014 desde 1985), muy utilizado en equipos industriales de control desde sus primeras versiones de 8/16 bits de ancho de bus y 16 Mbytes de memoria direccionables a las actua les mejoradas de 32 bits y 4 Gbytes de memoria, tanto como bus de base para organizar sistemas a su alrededor, como canal de comunicación adoptado por fabricantes de equipos como estándar propio, por ejemplo, Allen-Bradley para sus autómatas programables. V M E está formado por cuatro subbuses, de direcciones y datos, sincro nización en operación multimaestro. gestión de interrupciones y utilidades generales (figura 16.13). Para evitar retrasos de operación en aplicaciones con altos volúmenes de dalos, han sido definidas extensiones del bus que pueden operar indepen dientemente del original V M E , utili zando patillas libres del eonector V M E no utilizadas en la norma original. Un sistema completo puede incluir, además del propio V M E como bus del sistema, buses auxiliares V M X (V M E Extensión) y V S B (V M E Subsystem) con capacidad de gestión de interrup ciones y multiproccso adicional. Otras extensiones a V M E son el bus serie V M S (V M E Serial) para intercam
Bits de
ISA
datos
Velocidad de transferencia (M W sl
Auloconlifiuractón
AulndiagimOíco
8/16
8
No
Si
Número de laijrU ,
no definidas
MCA
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Si
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15
EISA
32
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in power-on
Si
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M I I.T IB tiS
32
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in power-on
No
21
sn»
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32
32
Si
No
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No
16
8/16/32
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cúmplelo
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H T t RF.Bt S
128/256 VESA
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PCI
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32
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• Con l’cniium
Tabla 16.2. Comparación de bases estándar. biar mensajes y señales de sincroni zación entre distintas C P U a 3 Mbytes/s, y el bus de instrumentación V X I (V M E Instrumentation), que soporta instrumentos rápidos que generan o consumen gran cantidad de datos. Los módulos funcionales conectables a! bus son en general de dos tipos: maestros, con capacidad de controlar el bus y organizar las transferencias, y es clavos, que sólo accede al bus cuando un módulo maestro lo selecciona para realizar sobre él una transferencia de información. Como ejemplos de tarjetas V M E pueden indicarse las siguientes: — Módulos C P U , con microproce sadores Motorola o Intel, puertos serie/paralelo, contadores/temporizadores. memoria R A M / R O M , capacidad de trabajo en entornos multiusuario. multitarea y en tiem po real, etc. — Módulos de memoria, con me morias estáticas y dinámicas, dis cos de estado sólido con E J PR O M o Flash-EPROM , etc., y capaci dades de decenas de megabyles. — Módulos industriales E/S, con en tradas/salidas analógicas y digita les. temporizadores y contadores
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rápidos, generación de interrupcio nes, etc. — Módulos de interfaz E/S inteligen tes (con C P U incorporada), que permiten conectar al bus sistemas específicos (visión, robots y ma nipuladores, etc.), acceder a un bus de campo o red de area local (BitBus, IEEE488, Ethernet, M A P, etc.), controlar periféricos estándar (discos, impresoras, etc.), y, en ge neral, incorporar a la estructura V M E todo tipo de sistemas de adquisición de datos, supervisión y control industrial. La figura 16.14 muestra el aspecto de una configuración basada en V M E . for mada por módulos de control con mi croprocesador 68xxx de M o to ro la (VM30), controlador de comunicacio nes S C S I y acceso a Ethernet (V C O M ). cuatro canales de acceso serie conligurablcs RS-232/422/485 (V IO S ), 32/8 canales analógicos In/Out (V D A D X 2 ), controladores de comunicaciones para E / S d ig ita l/ a n a ló g ic a s re m o tas. (VMOD-2X2) y 48 puntos digitales de salida optoaislados (V D O U T2X3). Desde el punto de vista industrial, el bus ofrece múltiples ventajas [7|, tales como:
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a lodos los módulos conectados al bus («broadcast»), memoria especifica para configuración del bus y cl sistema, transferencia serie síncrona (hasta 400 Mbytes/s con Autobahn (8|), etc., re cogiendo como mejoras muchas de las especificaciones que se lijaron como punto de partida en el proyecto Futurebus. F.ste último es un bus paralelo de sarrollado por IE E E (The Institute of Eléctrica! and Electronics Engineers) y V IT A (V F E A International Trade Association), los mismos impulsores del estándar V M E . Con especificaciones que superan las de cualquier otro bus, Futurebus ofrece una altísima velocidad de transferencia de datos, conexióndesconexión «on-line» de tarjetas, pro tocolos de autoarranque bajo E P R O M , área de memoria específica para con figuración dinámica, puentes estándar con la mayoría de buses existentes para asegurar su rápida aplicación, y espe cificaciones particulares según la apli cación: FB+ /A para propósito general, FB+/B para intercambios E/S de altas prestaciones, FB+ /D para los PC y es taciones de trabajo, etc. La potencia global del bus y la cla ridad de sus especificaciones pueden hacer de Futurebus el estándar de in terconexión de sistemas durante la pró xima década. Aunque gran número de fabricantes comercializan productos industriales basados en los estándares de PC IS A / E IS A / M C A , adaptándolos al uso industrial mediante mejoras en sus to lerancias mecánicas, índices de protec ción, niveles de susceptibilidad y com patibilidad electromagnética, etc., es de esperar una creciente oferta organizada alrededor de arquitecturas de bus más actuales, como son algunas de las an teriores comentadas, o. manteniendo la compatibilidad PC. mejor adaptadas al medio industrial, como por ejemplo los buses PCX1, con niveles de seguridad > protección optimizados para su uso industrial, o P C / 104, que reducen al máximo las líneas y conectores nece sarios para permitir organizar sistemas PC en el mínimo espacio. F.n concreto, es previsible un fuerte crecimiento de los sistemas basados en V M E . por sus ventajas frente a las so luciones PC en aplicaciones industria les:
mayor capacidad de cálculo, con posibilidad de multiproceso. ausencia de restricciones impues tas por cl sistema MS-DOS. — mayor velocidad de transferencia entre módulos, — mayor capacidad de entrada/salida (mayor número de lincas), — mayor robustez mecánica, con conectorcs de % patillas frente a la inserción «eard edge» de las placas PC. — mayores rangos en especificacio nes ambientales, etc. Si bien están disponibles en cl mer cado placas PC con prestaciones me cánicas mejoradas, incluso con blin dajes antirradiación. su precio aumenta significativamente, por lo que pierden su principal ventaja competitiva frente a aquellos buses diseñados específica mente para ser utilizados en ambientes industriales. En la actualidad, para aplicaciones organizadas alrededor de buses abier tos se utilizan como base V M E y (en recesión) M U L T IB U S II. alrededor de los cuales se organiza, tarjeta a tarjeta, todo el sistema de control, incluyendo la adquisición, la supervisión y el man do del proceso. Las arquitecturas basadas en buses de PC (PC industriales + periferia) se utilizan generalmente en aplicaciones de control de maquinaria y captura de
datos, supervisando a otros elementos de mando directo como autómatas, re guladores de velocidad, posicionadores de ejes, etc. En un futuro próximo, muchos de los buses paralelos de expansión E/S comentados serán sustituidos por otros estándares de transmisión serie síncro na o asincrona con soporte eléctrico u óptico, como resultado de la implan tación de las nuevas propuestas que empiezan a aparecer: F D D I («Eiber Distribuited Data Interface»), A T M (« A syn ch ro n o u s T ra n s le r M o d c» ), 1EEEP-1394 («Firc Wire»), etc., apro vechando los incrementos en veloci dades de transmisión y anchos de ban da para definir sistemas de intercone xión menos expansivos y más inmunes a las interferencias electromagnéticas. 16.5.5. Periféricos del PC industrial Por periféricos se entienden iodos los elementos de visualización, actua ción. registro y almacenamiento de da tos conectados a la C P U por los buses y conectores correspondientes, típica mente monitores, teclados, cintas y dis cos magnéticos, discos ópticos, impre soras, etc. Los monitores utilizados por los PC industriales y en general, por los ter minales de explotación gráficos de gama alta, pueden clasificarse, por su tecnología, en dos grandes grupos:
Figura 16.15. Pantallas LCD color (foto cortesía Sharp).
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TRC (Calíanle
Tuhe),
Roy monitor gráfico por excelencia, en blanco y negro y color, disponible con pantallas de gran formato y reso lución. - LC D (¡.¡quid Crystal Displací, com pactas y robustas pantallas de pre sentación industrial, también dis ponibles en blanco y negro y color (figura 16.15). Se clasifican, a su vez. en: • fí/W LC D . pantalla L C D pasiva, en blanco y negro, con 64 tonos de grises. • DSTN LCD , pantalla L C D pa siva, con doble velocidad de ba rrido y color con paleta de 256 colores. • TFT LCD , pantallas L C D de ma triz activa, paleta de 512 colores con mejor ángulo de visualización , pantallas más grandes (hasta 14,5 pulgadas) y mayor velocidad de actualización de los gráficos. Tecnología en desarro llo que alcanza ya resoluciones V G A . con 21" y paletas de 16,7 millones de colores.
Otro tipo de monitores son los electroluminiscentes, no LC D : - E L , pantalla Electro-Luminiscente, con gran ángulo de visión (mayor de 150°). generalmente en blanco y negro con 64 tonos de grises. También disponible en color, con paleta muy limitada, pero válida para aquellos usuarios que preci sen un margen limitado de colo res, pero manteniendo las ventajas inherentes a las pantallas E L : ro bustez, fiabilidad, tiempo de res puesta y ángulo de visión, a precio inferior que las T F T LC D .
res) en alta resolución (1280x1024 pixels). — compatible con controladoras de video de modos gráficos estándar IIG C («Hercules Graphic Card»), E G A («Enhanced Graphics Adapler»), C G A (« C o lo u r G raphics Adapten»), V G A / S V G A («Video Graphics Adapter, Super/VGA»), M D A . PS/2. 8514/A. etc.. alta velocidad de presentación y actualización de la pantalla, con barridos de 50 Hz a 90 llz, — facilidad de lectura, fuerte con traste y gran ángulo de visión, in cluso en condiciones de ilumina ción difíciles. sensibles a agresiones mecánicas (vibraciones y golpes), y —sensibles a interferencias electro magnéticas, lo que obliga a pro tecciones especificas que incre mentan su coste respecto a sus ho mónimos domésticos y de oficina. Los monitores LC D . por su parte, tienen como características generales: p e q u e ñ o ta m a ñ o (t íp ic o , 9,4"/10,4"), aptos para espacios reducidos.
— baja potencia (capaces de funcio nar con baterías), — resistentes a vibraciones y golpes, resistentes a interferencias electro magnéticas, — baja re s o lu c ió n , hasta V G A (640x480 pixels), — escaso ángulo de visualización, — baja capacidad de color, con pa letas hasta 512 colores, y baja velocidad de actualización de pantallas, con respuestas del orden de 250 ms. Por sus características, los monitores T R C se utilizarán en ambientes poce agresivos, donde el tamaño no sea fac tor determinante, e interese alta calidac de presentación (resolución, contraste y colores). Por otro lado, los monitores L C D serán útiles en ambientes indus triales muy agresivos, o donde interese minimizar el espacio ocupado por e : visualizados aun a costa de una calidad de presentación inferior a las mejores alternativas T RC . Los teclados industriales se diferen cian de los estándar por su mayor grado de protección y por el número de teclas disponibles, que puede oscilar entre unas pocas teclas funcionales (por
Figura 16.16. Ordenador industrial con teclado protegido por cajetín. Foto cortesía de Texas Micro/Logitek.
En todos los casos puede acoplarse al monitor una pantalla táctil resistiva o capacitiva, con interfaz RS-232 a la unidad de control. Las características generales de los monitores T R C son: form atos típ ico s de p an talla, 10"/14717". - disponibles pantallas de grandes tamaños (hasta 45 pulgadas), - visualízacíón de gráficos en color (paleta de 16.7 millones de colo
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ORDINAOOMt INDUfTRIAUf COMMTMU* K
e je m p lo , H a P IO c o m p a tib le s XT /A T ), hasta teclados completos con funcionalidad idéntica al estándar de 101 teclas compatible IB M PC. Los teclados disponibles podrán ser, en general, de los dos tipos que se citan a continuacióin: — convencionales, de tipo sobremesa, con grado de protección suficiente (mínimo, IP20), normalmente pro tegidos con cajetines que los en vuelven cuando no son utilizados (figura 16.16); — de membrana, con protección IP 65 para entornos severos (fig ura 16.17). Estos últimos están tam bién disponibles en versiones de panel empotrables o no, incluso integrados en el frontal de un cha sis que contiene al monitor y al bastidor donde se insertan las tar jetas que configurarán el PC (fi gura 16.18). Todos ellos están disponibles, para entornos eléctricos y electrónicos du ros, en versiones protegidas contra emisión v recepción de interferencias (E M C / E M I). Las impresoras utilizadas como pe riféricos de! PC industrial se destinan a obtener listados de producción, me morias de alarma y salida de mensajes condicionados a eventos del proceso. Equipos sencillos y robustos, se co nectan al PC vía bus paralelo Centro nics o bidireccional E C P / E P P («Enhanced Capabilities Parallel/Enhanced Parallel Port»), o por interfaces están dar RS-232C o T T Y , según distancia de conexión. Sin la sofisticación de sus equivalen tes de sobremesa, son frecuentes en configuración de 40, 80 o 132 caracteres por línea, compatibles con caracteres gráficos IB M . Las formas de impresión usuales son la matricial o por transfe rencia térmica, aunque también se en cuentran con impresión por chorro de tinta. Otros periféricos para ordenador in dustrial (discos, cintas magnéticas....) no difieren de sus equivalentes de uso general, excepto por su posible colo cación en panel normalizado, y sus ma yores resistencia mecánica, índices de protección y seguridad electromagné tica.
Figura 16.17. Teclado de membrana y visuatizador l.CO con protección IP 65. Foto cortesía de Kontron Elektronik GmbH. 16.6. P R E S E N T A C IO N E S C O N ST R U C T IV A S D E PC IN D U S T R IA L E S Esencialmente, un ordenador indus trial compatible es un PC de uso ge neral adaptado al medio industrial me diante incrementos en su modularidad.
fiabilidad, accesibilidad y expandibilidad. Para alcanzar estas mejoras, los PC concebidos para aplicaciones industria les se presentan bajo formas muy va riadas, contrariamente a sus primos ofimáticos. De hecho, el aspecto y la pre sentación son en este caso dependien
Figura 16.18. Teclado de membrana integrado en chasis industrial. Foto cortesía de Kontron Elektronik GmbH.
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tes de la función que el PC deba rea lizar. Siempre con un grado de protección muy elevado (ver apartado 16.4. «Pro tecciones en el PC industrial»), dadas las características agresivas de los am bientes industriales, el montaje de las distintas tarjetas que forman el PC pue de hacerse de diferentes formas: - F.n caja compacta, conocida tam bién como estación de trabajo ba sada en PC («PC-based Industrial Workstation»), para montaje en panel o armario («rack») industrial de 19" (figuras 16.18 y 16.19). Con altura variable, dependiendo del tamaño de las tarjetas utilizadas y del tipo de monitor, la caja con tiene en el mismo bloque el mo nitor y el teclado de proceso, al canzando elevados niveles de pro tección ambiental. E l acceso al in terruptor O N /O FF, al disco flexi ble y a otros posibles controles (reset, bloqueo de teclado, etc.) está protegido por una cubierta frontal, con llave de seguridad que impide manipulaciones no autori zadas. La conexión de las tarjetas
Figura 16.19.
PC en la caja es modular, sobre un bus pasivo («passive backplane») tipo IS A / E IS A / M C A colocado en su parte trasera. Esta disposición permite al usuario seleccionar las tarjetas C P U , memoria y expan siones E/S que necesite según su aplicación. Esta configuración compacta, re comendada para el control parti cular de un equipo o máquina, presenta como características ge nerales las siguientes: • Controladora de vídeo y moni tor color, 10" o 14", tipo C R T o L C D T F T / D S T N , con resolu ciones de 640x480 (V G A ) o 1024x768 (S V G A ). • «Slots» libres (1SA/F.ISA), de dos a diez. • Teclado alfanumérico de mem brana con teclas funcionales prograrnables. • Protección estándar industrial N E M A 4/12 (IP 52/56). Sobre la configuración básica ante rior. el usuario puede organizar su pro pio sistema añadiendo:
compacto modelo PC-32C de Siemens, para montaje en «rack» industrial.
nano D B O 0 61
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Q Q D Q CSQE3D Q53C0ED
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• Tarjeta C P U , de 286 a Pentium. • Memoria R A M , hasta el limite direccionable por el procesador. • Controladora de disco y disco duro, etc. En bastidor o chasis de metal es tandarizado para «rack» de 19" («In d u stria l PC Chassis/Rackmount Chassis»). Montaje previsto para supervisión y control de un proceso o sistema, sus dimensio nes normalizadas permiten su ins talación en cualquier armario o consola, donde el equipo estará protegido contra condiciones ad versas. El bastidor, que no incluye teclado ni monitor (figura 16.20), prevé la conexión de las tarjetas sobre un bus pasivo y expandióle, formado por una serie de conectores cableados entre sí y monta dos en una tarjeta fijada al chasis. Con esta estructura, todas las tar jetas que forman el equipo, in cluida la C P U , van insertadas en conector, unidas entre si por al guno de los buses del sistema para PC comentados anteriormente. Como resultado, el sistema resulta fácil de configurar y mantener. Una característica determinante de este montaje es el número de conectores («slots») libres disponibles, ya que determina la capacidad de expansión del equipo. Un número insuficiente de conectores, o el empleo de tarjetas con pocos ca nales de entrada/salida, obligará a una expansión del bastidor, con los inconvenientes que supone el ma yor espacio ocupado, la pérdida de protección frente ai ambiente por el cable de expansión, y el mayor riesgo de mal funcionamiento por problemas en la conexión. Características generales de es tos bastidores son las siguientes: • Fuente de alimentación incor porada (200 W o mayor). • Gran número, entre diez y vein te, de ranuras («slots») dispo nibles. • Espacio previsto para montar disquelera y disco duro. • Conector incorporado para mo nitor y teclado externos, dispo nibles en idéntico formato para
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con oíros elementos, estos por tátiles disponen de las salidas serie y paralelo típicas y. opeionalmenle, de conectorcs para expansiones E/S: bus del sistema, bus SCS1-2. concetores PS/2 pura ratón y te clado externo, salida vídeo para monitor externo, etc., además de algunos «slots» libres que permi ten colocar tarjetas A T estándar u otras, como P C M C IA , para me jorar y personalizar su interfaz con el proceso. De construcción robusta y pre parados para trabajar en ambien tes diversos, los maletines, ligeros y resistentes, están protegidos contra intrusión de agua y polvo y son resistentes a choques y vi braciones (figura 16.22) Con ali mentación multirrango 221) V AC', 24 V AC /D C , pocas exigencias de calidad en la tensión suministrada. Índices de protección elevados (1P 54/IP 64), pantallas y carcasas pro tegidos e interfaces y conectores con aletas protectoras que impi den el paso de polvo o partículas al interior, pueden ser utilizados en prácticamente cualquier planta industrial. Como en el resto de sus ho mónimos industriales, la protec ción de los datos ocupa la máxima prioridad en estos equipos: una cerradura de seguridad y el accso mediante palabra clave («password») protegen el disco duro y
Figura 16.22. Portátil industrial con llaves de acceso al sistema. Foto cortesía de Knntron Electron ik Gmh/I.
los accesos al teclado, monitor y lineas de expansión E/S. Cualquiera que sea su presentación el P C puede estar instalado (excepto, obviamente, el portátil) dentro de un armario industrial para conseguir gra dos adicionales de protección (figura 16.23). En cualquier caso el grado de protección de estos armarios, que pue de ser elevado, no debe sustituir la ne cesaria protección intrínseca de un PC industrial. En otras palabras, resulta más segura la operación de una esta ción de trabajo con IP 65 que la de un PC de sobremesa contenido en un ar mario de igual Índice. Uno de los requisitos más evidentes que debe cumplir un PC industrial es la facilidad de acceso a sus componen tes, para operaciones de mantenimien to y sustitución de piezas. Para control industrial es evidente que las opciones de montaje sobre bus pasivo, y especialmente los montajes sobre bastidor cxpandible, son las más adecuadas desde el punto de vista del mantenimiento, ya que permiten no sólo la sustitución rápida de los ele mentos averiados, sino también la am pliación del sistema tanto en potencia de cálculo, cambiando la placa que contiene al micro o añadiendo micros auxiliares, como en capacidad de in terfaz, añadiendo nuevos controladores de dispositivos al bus. Si para aplicaciones de intervención en campo estas consideraciones pue den no ser significativas (la avería de un componente significa la detención momentánea del trabajo, el envió a re paración y la sustitución de todo el equipo por otro completo), si lo son para aplicaciones de control de planta y producción, donde el procedimiento anterior puede paralizar todo el pro ceso por un tiempo inaceptable. Para estos casos, el montaje en bastidor per mite la sustitución rápida de la tarjeta afectada, con interferencia mínima so bre el proceso, por lo que será esta la presentación preferida para control continuo. 1:1 montaje sobre bastidor para ar mario industrial presenta una ventaja adicional, la de concentrar la unidad de operaciones y almacenamiento en el chasis, protegido por un armario fuera del área de trabajo, mientras puede
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Figura 16.2.1. Armario industria! para PC. mantenerse la interfaz con el usuario (teclado/monitor) a pie de máquina o proceso. En las estaciones de trabajo o chasis aislados la arquitectura linal del siste ma PC es elegida por el usuario, que la organiza alrededor de una placa C P U conectada al bus pasivo. Esta placa, con buses IS A / E IS A y opcionalmente P C I, contiene el pro cesador (80286 a Pentium), el B IO S («Built In Operative System»), la me moria R A M de trabajo («on Board D R A M » ), de 4 Mbytes en adelante, se gún procesador, la R A M caché, un área C M O S R A M con balería para salva guarda de datos, el reloj de guarda («walchdog») y el de tiempo real («real lime dock»), el sistema de monitori zación de tensión de alim entación (« D C power guard»), los puertos serie y paralelo, las interfaces de teclado y «display» y algunos controladores de E/S: • Controlador ID E / E ID E . para 2/4 discos duros. • Controlador F D D para discos fle xibles. • Controlador SC SI, para siete pe-
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16.7. R E S U M E N En los últimos años los ordenadores compatibles PC están ampliando su presencia en el mercado de aplicacio nes industriales. Con la mejora de sus caraceristicas mecánicas, eléctricas y electromagné ticas, los compatibles compiten con otras alternativas de control digital, como las estaciones de trabajo de pla taforma no PC y los sistemas modu lares organizados en torno a un bus, en aplicaciones de control de procesos, su pervisión \ captura de datos. Para aplicaciones de mando y regu lación directa de planta, y pese a la existencia de tarjetas especificas de co nexión E/S (digitales, analógicas, con tadores, control de motores, etc.), que permiten usar al PC como elemento autónomo de control, son más fre cuentes las soluciones híbridas, con los A P I y otros controles particulares de planta supervisados por un PC que ac túa como estación de trabajo de ope rador. Con configuraciones hardware total mente flexibles, que incorporan no sólo toda la periferia típica de los compa tibles (adaptada al medio industrial), sino también elementos de otras ar quitecturas de bus enlazados al PC con los procesadores correspondientes, los PC industriales están disponibles en una gran variedad de formas y presen
taciones constructivas, para montaje en bastidor, armario o panel, portátiles, etc., a un precio muy competitivo fren te a otras alternativas En la actualidad puede encontrarse un PC industrial con palabras de datos de 32 bits, memorias de programa de 64 Mbyles y memorias masivas de gigabytes, soportando una aplicación com pleja de control bajo entorno «W indows» por un precio global no su perior a dos millones de pesetas, in cluyendo la programación y puesta a punto. Un equipo de estas caracterís ticas es una alternativa atractiva no sólo frente a los paneles centralizados clá sicos de control, sino incluso frente a otros sistemas de automatización, como puedan ser las estaciones de trabajo y los conjuntos modulares bajo bus. e in cluso los propios autómatas. En este ultimo caso deben, sin embargo, asu mirse los riesgos de centralizar el con trol en un único punto, en lugar de uti lizar al PC como elemento maestro o supervisor de una red de control dis tribuido. En definitiva, las mejoras en segu ridad y niveles de protección alcanza dos están permitiendo al PC introdu cirse sin excesivos problemas en las es tructuras jerárquicas de automatización industriales, sobre todo en sus niveles intermedios. Sin embargo, el precio adicional a pagar por la seguridad de funciona
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miento y la protección frente a am bientes agresivos deja el coste final muy por encima de sus homónimos de ofi cina (relaciones de 5 a I y superiores), por lo que no es infrecuente encontrar equipos de sobremesa de uso general instalados en planta y desarrollando al guna función especifica de equipos in dustriales. sobre todo cuando su po sible caída no es fatal para la aplicación, como tareas de monitorización. adqui sición de datos no críticos, etc.
16.8. R E F E R E N C IA S |l| G O N Z Á L E Z , Ignacio. Los PC* en la Industria Automática c Instrumentación, n Z2<>. pág. 76 septiembre, 1902 |2| SO R IA N O . Antonio. Autómatas programables trente a computadores personales en sistemas de control. Automática c Instrumentación, n. 196. pág K l l . noviembre. 1089 MI P A R E D E S , Pedro. 1:1 PC en aplicaciones in dustriales. Automática e Instrumentación, n. 231. pág 73. lebrero. 1993. M) D IX T F R , Arlhur L. Microcomputers Bus Structures and Bus tnlcrface Design. Ld. Marcol Dekkcr Inc., 19X6 /F.leclrtcal Enginecring and Electronics. |5| D U SM O N I), Miehael. The V E S A l ocal Bus PC World. Octubre 1993 [b| IN T E l CORP. P U B N." 241701001 Lile PC I Local Bus: A Tcchnical OverView |7| D E LA T O R R E . Miguel. El Bus V M E Con ceptos básicos Mundo Electrónico, r» 224-223 pág. 52. Febrero. 1992 |X| P E P Modular Computer* V M E l-or I vervone Autobahn Technology
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A P L IC A C IO N » D i LOS PC IN D U S T R IA L »
17. APLICACIONES DE LOS PC INDUSTRIALES 17.1. INTRODUCCIÓN El mercado de la automatización en globa las tecnologías de control y su pervisión de la producción aplicadas a la automatización de máquinas, cade nas de producción y plantas de mon taje, además de aplicaciones en el sec tor terciario como gestión de edificios i obras públicas. La oferta de sistemas de ordenador para la automatización (plataformas hardware y software, programas y otros servicios) ha ido creciendo conforme la tecnología digital y la inteligencia local que proporcionan los sistemas de mi croprocesador se implantan en los dis tintos niveles de la producción. Junto a los sistemas clásicos de ges tión, contabilidad, control de almacén, personal, etc., aparecen aplicaciones infórmáticas nuevas cubriendo áreas como: — control de producción, con super visión. mantenimiento, etc., — control de proceso, utilizando au tómatas, reguladores, controles numéricos, etc. Los equipos utilizados en estas áreas 'ordenadores de gestión «mainframes», estaciones de trabajo de operador y ele mentos de control de planta) que fue ron en sus orígenes muy diferentes en tre sí por su capacidad de cálculo, fa cilidad de interconexión, interfaz con usuario y adaptación a las señales de planta, tienden en la actualidad a re ducir sus diferencias confluyendo hacia plataformas hardware comunes, fre cuentemente basadas en PC por tres motivos fundamentales: — Mejoras continuas en la seguridad de funcionamiento de los orde nadores industriales con arquitec tura PC. — Mejora de las comunicaciones di gitales con los equipos de control
de planta, con el empleo de buses de campo e interfaces estándar. Caída de precios del software in dustrial para PC, con productos que corren sobre soportes cada vez más baratos y universales den tro de la planta. Esta evolución está llevando al PC al nivel de planta, consolidándolo como el interfaz estándar hombre-máquina en aplicaciones de control de produc ción. e incluso como elemento prin cipal en el control del proceso. Dado que una aplicación global se desarrolla más fácilmente sobre siste mas integrados que sobre componentes aislados, los fabricantes y distribuidores tienden a introducir funciones de inge niería en sus productos, con lo que su oferta se convierte en una oferta de so luciones (sistemas) donde el software desarrollado caracteriza frecuentemen te la solución final. Con un nombre, gestión de la pro ducción, y una herramienta, informática industrial, están disponibles paquetes informáticos que corren sobre PC y sis temas operativos M S-DOS, Windows o Unix, con capacidad de conexión con los elementos de planta (autómatas, controles numéricos, etc., incluso sen sores y actuadores) y posibilidad de capturar, visualizar y m odificar en tiempo real las señales de planta, lo que permite poner en servicio aplicacionescomo: — — — — —
adquisición de datos. supervisión y control, gestión de alarmas, control de calidad, mantenimiento predictivo, etc.
Las soluciones estandarizadas, ade más, permiten incorporar nuevos de sarrollos sin conflicto con los anterio res, siempre que la aplicación esté con cebida de forma abierta. En este capitulo se clasifican y des
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criben las diferentes funciones que los ordenadores personales compatibles PC pueden desempeñar en la industria, analizando tanto las implantaciones hardware resultantes como las aplica ciones software necesarias para cada función.
17.2. SISTEMAS OPERATIVOS PARA PC INDUSTRIAL E l sistema operativo para PC, o in terfaz entre el software desarrollado y el hardware estándar, ha evolucionado claramente más despacio que los com ponentes del PC: limitados por los de seos de los fabricantes de mantener la compatibilidad con los productos an teriores, las sucesivas versiones del D O S («Disk Operating System», siste ma original IB M ) imponen entornos muy limitados para la potencia de las máquinas actuales, aunque existen múltiples aplicaciones, tanto para con trol, adquisición de datos y progra mación de autómatas, que corren bajo este sistema. Los sistemas operativos para aplica ción industrial han de cumplir exigen cias más estrictas que los de aplicación general: multiusuario, multitarea, multiproceso y respuestas en tiempo real son algunas de las propiedades que les pueden ser exigidas, tanto más inten samente cuanto más cerca corra la apli cación del nivel de campo. Un sistema operativo es multitarea cuando puede administrar simultánea mente varios programas (entidades completas dedicadas a una tarea es pecífica, con sus propias entradas, sa lidas, respuestas al proceso y gestión de recursos hardware). Esta atención si multánea puede ser una exigencia del proceso, que solicita vigilar al mismo tiempo varias condiciones, y reaccionar de forma individualizada sobre ciertas señales de control. Un sistema operativo es multiproceso
cuando puede ejecutar simultáneamen te varios programas, o dividir un pro grama y ejecutar simultáneamente las partes divididas. Que el sistema sea multitarea no significa necesariamente que sea multiproceso: para ello se ne cesita que los programas administrados se ejecuten simultáneamente, lo cual sólo es posible si existen varias C P U trabajando en paralelo. Un sistema operativo es multiusuanu cuando permite a varios usuarios, cada uno desde su propio terminal, utilizar los recursos hard+soft del ordenador utilizado (en este caso, un PC). Aunque puede conseguirse esta fun cionalidad utilizando redes de orde nadores que intercambien datos entre cada C P U conectada (por ejemplo, re des Novell), es más económica una so lución multiusuario real, con una sola C P U y varios terminales (monitor + teclado) conectados a ella. Para que una aplicación industrial sea operativa debe ser capaz de establecer niveles de prioridad sobre eventos del proceso, y reaccionar frente a ellos con la celeridad suficiente. U n sistema ope rativo permite a las aplicaciones que corren sobre él, operar en tiempo real cuando el tiempo de respuesta del equipo está por debajo de la menor constante de tiempo del sistema con trolado, en algunos procesos, por de bajo de milisegundos. Desgraciadamente, estas especifica ciones quedan muy lejos de las posi bilidades del sistema M S-DOS. cuyas deficiencias más evidentes son las si guientes: — el procesador sólo puede operar en modo real, — sólo direcciona linealmente 640 Kbytes de memoria del sistema, — no tiene capacidad multiusuario ni multitarea. Sin embargo, éste es un estándar muy extendido en el campo de los PC. gracias a la gran cantidad de aplicacio nes técnicas que corren sobre él, que compensan en parte estas desventajas. El desarrollo de los PC y su coste comparativamente bajo respecto a las estaciones de trabajo Unix equivalen tes, ha propiciado la aparición de sis temas operativos que superan las li mitaciones del D O S para trabajar en aplicaciones industriales, pero capaces
de correr sobre estas maquinas de bajo precio. Alternativos al DOS, el Unix para PC, el OS/2, el C D O S XM/386 y el M S Windows han desarrollado capacidades multimedia, inlerlaz gráfica con usua rio basada en iconos y capacidad de gestión de buses de 32 bits. E l Unix, que difiere totalmente del D OS, penetra muy superficialmente en el mundo del PC, aunque aparece como sistema básico incorporado en otros ordenadores industriales no PC (arquitecturas R IS C ). Sus capacidades multitarea/multiusuario le hacen es pecialmente válido para tareas de su pervisión y automatización supraordenada, por ejemplo, a nivel de control de producción, a lo que ayuda su fa cilidad de integración en redes TCP/1P (Ethernet). En un PC . Unix es residente en me moria principal, y puede direccionar si multáneamente hasta 16 Mbytes. Si la memoria física no fuera suficiente, el sistema carga programas o parte de ellos desde la memoria masiva, si bien este procedimiento ralentiza las ope raciones y resulta inadecuado para apli caciones en tiempo real. La funcionalidad multitarea está ba sada en un proceso en tiempo com partido («lime sharing»), en el que la frecuencia de ejecución de un progra ma puede alargarse o acortarse depen diendo de la prioridad asignada. El in tercambio de datos entre programas se soluciona mediante áreas compartidas de memoria. Cada fabricante ofrece su versión particular de Unix, compatible con el estándar, pero incorporando funciones propias y de compatibilidad muy li mitada o ninguna con aplicaciones D O S o Windows, aunque existen en el mercado otros sistemas operativos ba sados en Unix que buscan mejorar esta compatibilidad. Para estos sistemas multiusuario es tán disponibles interfaces gráficas ba sadas en el estándar X-Windows, di señadas específicamente para resolver las relaciones cliente-servidor (aplica ción-estación de trabajo, «Workstation»), de forma que cualquier terminal de usuario utiliza la aplicación sin im portar la plataforma o el paquete grá fico empleado. Asi. la interfaz permite a las máqui-
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ñas usuario y servidor funcionar sobre diferentes ordenadores, conectados por red local, de forma que la estación de trabajo (servidor) puede soportar varios clientes (aplicaciones) simultáneamen te sobre máquinas distintas. La principal ventaja de estas inter faces gráficas radica en la libertad del usuario para elegir la plataforma hard ware más adecuada para su aplicación (monitorización, control, etc.), y en la facilidad para intercambiar datos cuan do se utilizan muchas aplicaciones con información compartida, ya que el sis tema permite el acceso a los dalos des de cualquier terminal conectado. El OS/2. sistema monousuario lan zado por IB M para sus equipos con bus M C A , posee pocas aplicaciones por su falta de compatibilidad con los exten didos equipos de bus E IS A , aunque sus características multitarea le hacen vá lido para aplicación industrial. En OS/2. el usuario puede trabajar simultánea mente con varios programas, hasta ocu par una memoria máxima de 16 M by tes, capacidad que el sistema direcciona linealm ente (m em oria virtual de I Gbyte). Es posible el intercambio de datos entre programas, con comuni cación interprocesos mediante colas, mientras que la frecuencia de ejecución de programas puede modificarse por asignación de prioridades. El tiempo mínimo de reacción frente a eventos externos es del orden de 30 ms, lo que lo hace válido para aplicaciones en tiempo real. Las principales desventajas de OS/2 son el bajo número de aplicaciones dis ponibles (las aplicaciones M S-DOS sólo corren de forma condicionada), y su carácter monousuario. Aunque esta úl tima puede subsanarse utilizando co nexiones en red, para las que OS/2 está particularmente bien dolado, la solu ción alcanzada resulta más costosa que otra que utilice verdaderos sistemas multiusuario (figura 17.1). Durante la transición de D O S a W in dows fueron frecuentes las soluciones que compaginaban la compatibilidad de los productos D O S con las nuevas necesidades multitarea y multiusuario planteadas por el entorno industrial. En general, estas soluciones consistían en dividir la memoria extendida en blo ques de 640 Kbytes que se conmutaban con la memoria convencional, de for-
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ma que los programas se llamaban, se ejecutaban y se almacenaban de nuevo según las indicaciones de los gestores de la aplicación. Ejemplo de estas soluciones es el CD O S XM/386 de Digital Research [1], sistema operativo m ultiusuario con tiempos de reacción menores de 20 ms que permite ejecutar en multitarea las aplicaciones escritas para DOS. Como C D O S utiliza las mismas llamadas de sistema que MS-DOS, resulta muy in teresante para los usuarios de éste que pretendan desarrollar aplicaciones de control de planta en tiempo real. Los programas en multitarea corren intercambiando datos entre sí mediante colas, hasta un total de 255 programas simultáneos de 590 Kbytes de longitud máxima. Pese a esta limitación en la longitud de los programas (sólo es posible d¡-
reccionar linealmente 640 Kbytes de memoria buscando la compatibilidad con D OS), el sistema C D O S administra una memoria máxima de 8 Mbytes (4 Gbytes, con 386) mediante un sistema de intercambio de bancos entre la me moria extendida y la convencional o de trabajo, de forma totalmente transpa rente para el usuario. Pese a estas capacidades multitarea. multiusuario y de proceso en tiempo real, y aun incluyendo una interfaz grá fica con usuario que permite visualizar en ventanas las llamadas al sistema y a las aplicaciones, la principal desven taja del sistema —como de tantos otros semejantes— fue su escasa difusión, que los hace prácticamente inexistentes en el medio industrial. Comparado con los anteriores sis temas operativos, es el M S Windows el que se encuentra en mejor posición
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para alcanzar la hegemonía en el mer cado del PC. al combinar sus capaci dades multitarea con su posible inte gración en aplicaciones previas que co rrieran bajo MS-DOS. De hecho, existe ya una oferta ma dura de aplicaciones bajo Windows, tanto en Supervisión, Control y Adqui sición de Datos (sistemas S C A D A , por ejemplo, Intouch de W ond erw are), como en entornos de programación de autómatas y otros dispositivos (por ejemplo, S Y S W IN de Omron). Ampliamente difundido, bien cono cido y con múltiples proveedores de aplicaciones para él, que lanzan al mer cado continuas novedades y actualiza ciones, MS-Windows se está configu rando como el sistema operativo de uso general para cualquier arquitectura PC por varias razones particulares. Windows dispone de una intuitiva G U I («Graphips User Interface», inter faz gráfica de usuario) y accede a toda la memoria del PC, tal que se puedan crear aplicaciones de adquisición de da tos y control que adquieran, analicen y generen grandes cantidades de datos. Con la ejecución simultánea de va rias aplicaciones (control, hojas de cál culo. bases de datos, etc.), con inter cambio de datos entre sí mediante pro tocolos D D E («Dynamic Data Exchange») y O L E («Object Linking and Embedding»), Windows permite combinar aplicaciones industriales de adquisición y control de procesos con otras gene rales de tratamiento de información de sarrolladas bajo este entorno (redes de comunicación, editores de texto y grá ficos, hojas de cálculo, bases de datos, aplicaciones multimedia, etc.). Windows se presenta como el sistema operativo mejor posicionado para crecer y adaptarse a las nuevas plataformas PC y tecnologías futuras, tendencia que confirman sus últimas versiones apare cidas (Windows 95/NT), con nuevos sis temas operativos de 32 bits, arquitec turas cliente-servidor, capacidades mul timedia y acceso directo a las llamadas autopistas de la información.
17.3. SOFTWARE PARA APLICACIONES INDUSTRIALES En cualquier proyecto software, el diseñador debe elegir el enlomo de Ira-
bajo que crea más eficiente desde el punto de vista de las aplicaciones a de sarrollar. F.sle entorno constará, en ge neral, de dos partes, ordenadas por pro ximidad al núcleo hardware de la pla taforma utilizada como (figura 17.2): — sislenio operativo (Unix, DOS, Windows,.,.), aplicación software, construida mediante, • lenguajes de program ación (A N S I C, BA SIC ,...) y/o • aplicaciones funcionales están dar (hojas de cálculo, bases de datos, programas S C A D A , soft de monitorización...), depen dientes del sistema operativo elegido. Este entorno, denominado patrón software [2], debe cumplir las siguientes características: — operación intuitiva, — diseño y especificaciones estruc turadas, - modularidad: reutilización de apli caciones. - interfaz estándar. - máxima compatibilidad con fu turos desarrollos. Una de las características más dit'erenciadoras de un paquete de software es el sistema operativo para el que ha sido diseñado. De entre éstos, los que utilizan interfaces gráficas basadas en ventanas permiten organizar, integrar y gestionar con mayor facilidad la infor mación disponible, asi como simplificar la jerarquía de menús en sistemas de
control distribuidos y reducir el tiempo de aprendizaje del operador. Otra característica fundamental del paquete es su grado de integración. Las nuevas funciones, o mejora de las existentes, no serán nunca difíciles de introducir si el software ha sido de sarrollado de forma estructurada y abierta, a lo que sin duda ayudará la elección del patrón software adecuado. Uno de tales patrones es la combi nación del sistema operativo Windows con las aplicaciones desarrolladas para él (hojas de cálculo, S C A D A , editores ele.) más el lenguaje de programación A N SI C Windows es el sistema operativo do minante en la actualidad para PC, con una gran cantidad de aplicaciones fun cionales desarrolladas, que van en con tinuo aumento. Además, las nuevas versiones de 32 bits y multiplataforma presentadas por Microsoft mantienen la compatibilidad con las anteriores. El lenguaje C está completamente definido y estandarizado, es muy co nocido por técnicos y programadores y es el más utilizado para el desarrollo de aplicaciones. Uno de los puntos fuertes de C' es su flexibilidad en la gestión de me moria y su capacidad para organizar complejas estructuras de datos, además de la ventaja de disponer de completas librerías de aplicaciones y utilidades que facilitan significativamente la tarea del programador. Otra ventaja adicional del lenguaje es que, aun siendo de alto nivel, permite controlar el hardware con interrupcio
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nes, D M A («Direct Acces Memory») o acceso a registros del hardware de con trol o adquisición de datos. En una aplicación típica, se utilizará un lenguaje de programación estándar para configurar y controlar las tarjetas, instrumentos y aparatos actuadores (a nivel del hardware), mientras que las aplicaciones funcionales se encargarán del proceso de los datos, de la interfaz con usuario y de la interfaz con la plan ta. Sin embargo, y aunque no es fre cuente, es posible programar directa mente en el lenguaje elegido toda la aplicación, descartando las aplicaciones funcionales ofrecidas por el mercado. Una vez. elegido el patrón software base, el desabollador define su provecto software según las funciones que quiere resolver, agrupadas como sigue: — interfaz con usuario (menús, pan tallas gráficas, pantallas táctiles u otros medios), — acceso al hardware (configuración, control V lectura/escritura de da tos), — gestión de datos (pretratamicnto. almacenamiento, etc.), — control de planta (operaciones en tre variables, programación secucncial....), — comunicaciones (tipos de enlaces, formatos, protocolos,...). Estas funciones tienen mayor o me nor peso sobre el proyecto final según el tipo de aplicación deseada: — Para monitorización y registro de datos, serán prioritarias las fun ciones de acceso al hardware y gestión de datos. — Para control de producción inte resa garantizar la continuidad en la lectura de variables y la facili dad de interfaz con usuario. — Para mando o regulación de plan ta o procesos es prioritaria la ra pidez en la lectura/escritura de se ñales y en la ejecución del pro grama, y la robustez de las co municaciones. Definida la aplicación y las funciones que la forman, el equipo humano que desarrolla el proyecto debe seleccionar las herramientas que necesita para implementarlo, buscando un cierto com
promiso entre las que proporcionan la máxima flexibilidad y las que son más fáciles de usar. Existen multitud de es trategias de desarrollo de la aplicación, que van desde la programación directa con un lenguaje estándar (Quick-Basic, Visual Basic, C+-L, ...I de todas las fun ciones anteriores (acceso al hardware, gestión de datos, etc.) resultando los llamados «paquetes a medida» o pro yectos a la carta, hasta el empleo de.(un ciones preprogramadas disponibles en soflwures de aplicación o «paquetes co merciales» integrados, que sólo deben ser ensambladas correctamente entre si. La ventaja de las primeras es su fle xibilidad y adaptación a cualquier sis tema. aprovechando de forma muy efi ciente la configuración hardware dis ponible (se programa directamente so bre ella). Su principal desventaja con siste en que dejan en manos del equipo de desarrollo todo el esfuerzo de pro gramación. obligando además al pro gramador a desarrollar, compilar y de purar su código antes de poder verificar si el software desarrollado funciona co rrectamente sobre el hardware del PC. En cuanto a las segundas, empleo de paquetes comerciales preconstruidos, su principal ventaja es que son de uso intuitivo y no necesitan de programa ción por pane del usuario (si existe, será a nivel elemental, muy evidente), buscando siempre un tiempo mínimo entre la definición de las especificacio nes y lu puesta en marcha. Se permite incluso la configuración del sistema hardware mediante menúsy programas precargados («drivers»). Un «driver» software consiste en un conjunto de funciones ya programadas de alto nivel que inicializan, configu ran, miden o controlan un instrumento o una tarjeta concreta. El «driver» se comunica con el usuario en forma de un menú, y con la tarjeta o instrumento en códigos de bajo nivel (códigos má quina o «assembler») con sentido para el hardware que se generan automáti camente cuando el usuario confirma la entrada de datos de configuración. Es tos «drivers» pueden estar disponibles como programas independientes, y son entonces utilizados por los usuarios que desarrollan su propia aplicación pro gramando directamente con Quick-Ba sic, Microsoft «C», etc. Los paquetes comerciales utilizados
como aplicaciones software tienen el inconveniente de resultar muy generalistas en las especificaciones hard. buscando la compatibilidad con la ma yor parte de equipos instalados, y no tienen flexibilidad suficiente para adap tarse a necesidades futuras una vez de finida la aplicación, como no sea adqui riendo y ensamblando las nuevas fun ciones necesarias. Por ejemplo, resulta imposible alterar una aplicación fun cional destinada al control de motores para convertirla en otra dedicada a la adquisición de dalos aunque tengan co munes ciertos bloques, como la captura de señales analógicas. Como en cualquier otro caso, la cla ve óptima en la elección de las herra mientas software consistirá en encon trar el punto intermedio entre flexibi lidad y facilidad de uso, que será pro bablemente distinto en función de la aplicación final deseada. Una vez instalado el sistema con cualquiera de las soluciones anteriores, debe comprobarse la calidad del sofl desarrollado. E l criterio a establecer debe ser la fiabilidad de la respuesta frente a incidencias e imprevistos más que la funcionalidad en si, sin que por ello pueda aceptarse que deje de eje cutar la tarea encomendada. La comprobación del software pasará por las siguientes fases: — Funcionalidad global en banco, separada la máquina de la planta, donde se comprueba la correcta evolución secuencial del proceso. — Test de regulación, en planta, don de se comprueban las comunica ciones con los sensores y actuadores, y el funcionamiento de los lazos de regulación uno por uno. — Puesta en marcha final, con la ins talación completa conectada, don de se comprueban los efectos que provocan los cambios de veloci dad del proceso, los errores in voluntarios del operario durante la explotación, la saturación de las variables, etc.
17.4. F U N C IO N E S D E L O S PC EN LA IN D U ST R IA Un PC es un ordenador de propósito general con aplicación en muy diversas
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áreas, muy eficiente en el tratamiento de información no crítica en el tiempo, y en la interfaz con usuario a través de pantallas e impresoras que presentan resultados fácilmente interpretables por operadores, gestores y técnicos. Según la descripción anterior, si se estructuran las tareas de automatiza ción de una planta en los llamados mo delos jerárquicos de niveles (figura I6 J), los PC son especialmente adecuados paia cubrir las funciones asignadas al control de producción y supervisión de planta, aunque su funcionalidad per mite extender su empleo a los niveles más inferiores de mando y regulación En aplicaciones de baja complejidad pueden incluso utilizarse para planifi cación y gestión, aunque es cierto que, en general, en estos niveles de la au tomatización, y dentro todavía del nivel de producción de fábrica, donde corren aplicaciones C A D / C A M / C A E («Com puter Aided Design/Manulácturing/ F.ngineering»), las instalaciones basa das en PC bajo DOS/W indows ceden posiciones frente a las plataformas de bajo coste bajo Unix, que permiten la conexión directa en red multiusuario y ofrecen facilidades adicionales para el desarrollo de la llamada ingeniería con currente. Bajando a los niveles de planta, pues, el PC realiza diferentes funciones, sien do las más frecuentes —fuera de las aplicaciones de oficina y contabilidadlas siguientes (ordenadas con un cierto sentido histórico): - laboratorio, control de calidad y almacenamiento. - adquisición y tratamiento de in formación del proceso. - control de producción, - programación y prueba de otros equipos de control (A P I, P1D. etc.), - simulación de procesos y forma ción del personal, - estación de trabajo de operador (terminales de explotación), - control de procesos, mando y re gulación de planta. Los requisitos que necesita un PC para aplicaciones de laboratorio, control de calidad, almacenamiento y, en ge neral. adquisición r tratamiento de la información, no son tan rigurosos como
aquellos otros exigibles en aplicaciones de producción, ya que tanto las con diciones reinantes como la criticídad (en costes) de una anomalía son mucho menores. Ello explica la temprana in corporación del PC a'estos sectores au xiliares de producción, donde desarro lla funciones como |3J: — captura, procesado y archivo de valores de medida, — ejecución de pruebas de funcio namiento, — captura de datos de máquina y
producción, — control de ensayos de laboratorio, control de sistemas de transporte interno, — control de almacén, etc. La captura física de las señales de planta se realiza con los llamados sis temas de adquisición de datos, cuya descripción y evolución histórica se de sarrolla en un apartado posterior. Dentro de la estructura jerárquica de la planta, el control de producción es el nivel encargado de la toma de decisio nes, selección de los menús de pro ducción, evaluación de resultados para mantenimiento, etc. Los equipos co locados en este nivel ocupan un lugar clave en el sistema de automatización, como nexo de unión entre la fabrica ción y la gestión directiva del nivel su perior. El núcleo de un controlador para este nivel puede ser perfectamente una arquitectura PC compatible y. de hecho, esta solución es hoy mayoritaria frente a otras más específicas, sobre todo en aplicaciones de funcionalidad media-alta, por la lamiliarización exis tente con el PC de uso general, la me jora de las prestaciones gráficas, la cre ciente potencia de cálculo y la existen cia de sistemas operativos adecuados, que permiten controlar estas aplicacio nes en tiempo real. La oferta de soft ware para control de producción con tribuye también a extender el uso del PC en estas áreas, resolviendo funcio nes como: — preparación de menús de produc ción y listado de piezas, — coordinación de procesos de pro ducción («just-in-time»), — tratamiento de dalos de produc ción para análisis de costes, etc.
tareas que requieren manipular gran cantidad de datos y procesarlos en el mínimo tiempo posible. En estas aplicaciones anteriores de adquisición y tratamiento de la infor mación en general, los PC utilizados presentan configuraciones constructi vas estándar, tipo torre o chasis con vencional, o estación de trabajo para montaje en panel o armario. En cual quier caso, estarán bien desarrolladas las capacidades de alm acenam iento masivo («back-up») y comunicación en cualquier dirección, y será posible, por seguridad, discriminar el acceso del personal a las funciones implementadas. La programación y puesta a punto de equipos de planta es otra de las fun ciones clásicas asignadas a los PC en la industria. Aunque en principio cualquier or denador doméstico, con los mínimos imprescindibles, pueda servir como so porte de programas o entornos soft ware de programación de autómatas, si se desea una utilización industrial como sustituto de las anticuadas e incom patibles entre si maletas de progra mación de autómatas (terminales de programación), el ordenador utilizado ha de ser portátil, resistente al trato duro en entornos agresivos, de peque ñas dimensiones, fácilmente expandi óle, o al menos con suficientes puertos de comunicación paralelo y serie, y con índice de protección IP suficiente para el entorno de trabajo previsto, a saber, plantas en proceso de puesta a punto o en plena producción. Un ejemplo de estas máquinas sería el PC portátil IP Lite de Kontron. un portátil industrial con pantalla L C D V G A color (figura A4 .1, en anexo IV ), microprocesador 386/486, bus pasivo E IS A y cinco ra nuras de expansión disponibles. Para estas aplicaciones de progra mación y puesta a punto el PC susti tuye a las engorrosas estaciones dedi cadas de fabricante, liberando al usua rio de una servidumbre que aseguraba su fidelidad a una determinada marca, por las d ificultades inherentes de aprendizaje y coste económico del hi potético cambio. Como estación de trabajo de opera dor, o interfaz hombre-máquina («ManMachine Interlace, M M I» ) los sistemas basados en PC están aprovechando su
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caída de precios y mejoras en seguridad para sustituir no sólo a los ya obsoletos terminales locales («dumb termináis») unidos en red a un ordenador principal, sino para amenazar también a los vi deopaneles de control (terminales grá ficos de operador) que corren con un software cerrado predefinido por el fa bricante. En efecto, la calidad de la informa ción presentada, con pantallas C R T o L C D T F T y resoluciones S V G A / V G A . y la elevada funcionalidad, que permite al usuario definir su propia aplicación o utilizar entornos software ya comer cializados, permiten al PC no sólo so portar programas de monitorización y supervisión, sino también aplicaciones de control de elementos de planta. Estas interfaces basadas en PC, que físicamente adquieren la forma de es tación de trabajo o caja compacta con panel extrafino (figura 17.3). ocupan el lugar de honor entre los terminales M M I (figura 17.4), añadiendo a sus funcionalidades propias: — definición de pulsadores y pilotos sobre pantalla,. — entrada y visualización de datos numéricos, — visualización de mensajes, — presentaciones gráficas y analógi cas, — captura de datos y alarmas, otras específicas del PC muy valiosas para la supervisión de planta (figura 16.3):
Figura /7..í. Terminal de explotación basado en PC industrial. *»
*
Medicar.
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R. 1 R | 1 , • ■ n R O I C £2
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M
A P L IC A C IO N » DK L O l PC IN D U IT H IA U 5
almacenamiento masivo de infor mación, — generación de históricos y resú menes. - análisis estadístico, etc.
F,jnc tonal idati:
. incluso algunas más referidas a pro clamación y control: — programación en planta de A P I y otros reguladores, — soporte de programas de aplica ción de usuario (S C A D A , etc,). En simulación de procesos y form a ron del personal el PC ocupa un lugar importante en las estrategias de for mación de las empresas, y su impormeia será creciente conforme dismi nuyan las reticencias del personal pro ductivo acerca de la formación utili_.mdo objetos virtuales. Algunas características de los pro cesos productivos, como: - rápida evolución de las tecnolo gías, - elevado precio unitario de mu chos componentes industriales, — incorporación al proceso de múl tiples señales de entrada/salida, - funcionam iento continuo, con mantenimiento preprogranrado. etc., impiden utilizar la planta real, o mo:elos reducidos de ella, como soporte .ira la formación. Sobre un PC, en cambio, pueden utizarse programas y entornos de si mulación para una formación dirigida bien estructurada, que guía al apren diz por las distintas fases del proceso productivo estudiado, indicando los cálculos a realizar, defectos más irnportantcs o frecuentes, forma de co'egirlos, etc. Con múltiples interacciones y llama das a referencias cruzadas que el usua rio puede hacer sobre la aplicación didáctica, el software disponible per mite informar sobre el proceso, cal cular y simular circuitos y sistemas... Estos paquetes de software pueden haber sido desarrollados por empresas independientes, siendo entonces de ca rácter generalista, o por los propios fa bricantes de productos industriales, centrándose entonces en las aplicacio
Terminal gráfico I I I I I 1-U 111 1 1 1 I IIIT J t
Visualizador de mensajes
C o m p le jid a d de la
a p lica ció n
Figura ¡“7.4. Ordenación cualitativa de terminales industriales. nes y características de su gama parti cular. Como software didáctico generalista existen en el mercado paquetes de si mulación de sistemas electrónicos, de tratamiento digital de la señal, de te lecomunicaciones, de análisis de fallos en sistemas mecánicos, de contabilidad y estadística, etc. Ejemplo de paquetes software de fa bricante seria la serie D ID A C T IC de Eesto (tecnología elcetroneumátiea), con productos como A S K S IM (diseño y simulación de circuitos), D G P I. (cál culo de cilindros sin vastago), C A C O S V 2.11 (sistema de optimización de ci lindros por ordenador), etc.
17.5. IN T E R F A Z D E L PC CON E L M U N D O E X T E R IO R El bus de E/S es el canal de enlace entre el microprocesador interno y la periferia del ordenador. Sobre él están todas las señales de control que per miten organizar las transferencias a partir de las instrucciones de entrada/ salida. Este bus está materializado en los eonectores, sobre la placa base o sobre un bus pasivo («backplane bus»); en ellos es posible colocar las diversas tarjetas E/S opcionales disponibles en el mercado. El principio básico utilizado para leer o escribir un dato a través de una tar-
Eigura 17.5. Esquema sinóptico de acceso a la interfaz E/S.
PLANTA
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A PLIC A C IO N *! D I L O f PC INDUSTRIAL*»
Tabla 17.1. Mapa de direcciones de acceso a puertos en PC. RANGO U SA D O I I I E X I
D IR E C C IO N E S P U E R T O (H E X )
000 - 01F
000 - 00F
PC/XT
D ISP O SIT IV O A T/ISA
A T/A ISA
controlador
igual
igual
igual
igual
temp./conl.
temp./cont.
lemp ,/conl.
(8253)
(8254)
(82541
puerto patuleto (8253)
controlador teclado 181)42) retar tiempo real
controlador teclado (SI1421 reloj tiempo real
regislros página
Igual
igual
D M A (8237) 020 - 03F
020 - 021
controlador inlerrup (8250)
040 - 051
040
043
060 - 07T
06 0 - 063
080 - (WF
080 - 083
070 - 071
D M A (74LS6I2) 04 0 ■ OBI
0,40 - 0,40
oxiuro máscara NMf
0,40 - 047
0
o ca - E F
0C0 - OEF
oro 0F0 - 0 FF
7 icservado
o/)/
0F0 - OFF
controlador Int. (82.V)) reservado
2' controlador (8237)
reservado
2 controlado! Int. 1X25’)) reservado
DMA igual
coproeesadnr
coprocesador
(80287/803871
(80287/80387) disponible
100 - IE P
disponible
200 - 20F
200 - 207
adaptador de juegos
igual
igual
210 - 217
210 - 217
unidad esten
reservado
reservado
220 - 26F
220 - 26F
reservado
disponible
disponible
278 - 27F
278 - 27F
puerto
2" puerto
2" puerto
impresora
paralelo
paralelo
EG A
EG A
100 - IF F
IFII - IFF
disponible
disponible
cttnlrolador disco duro
controlador disco duro
2B0 - 2DF
2B0 - 2DF
disponible
2F0 - 2F7
2F0 - 2F7
reservado
2F8 - 2FF
2F8 - 2FF
CO M 2
igual
igual
300 - 3 IF
300 - 3 IF
adaptador
igual
igual
prololipo 320 - 3 2 F
320 - 32F
controlador disco dura
disponible
disponible
378 - 37F
378 - 371
puerto
I" puerto
I " puerto
paralelo
paralelo
paralelo
380 - 38F
adaptador
2" adapdr
2" adapdr
SD LC
SD L C
SD LC
3 A 0 - 3AF
3 A 0 - 3A F
reservado
I " adapdr. S D L C
E ' adapdr. S D L C
3B0
3B0 - 3BF
adapdr. monoc/
igual
igual
380 - 38F
3BF
interfaz paralela 3C0 - 3CF
3C0 - 3CF
EG A
igual
igual
3DO - 3DF
3DO - 3D F
CGA
igual
igual
3F.0 - 3E7
3E0 - 3E7
reservado
igual
igual
3F0 - 3F7
3F0 - 3F7
comrolador disquele
igual
igual
3F8
3 FF
3F8 - 3FF
CO M I
igual
400 - 4 FF
400 - 4 FF
controles EISA
800 - C F F 10(81
9FFT
igual
800 - C F F
placa madre EISA
1(88) - IF F F
«sloi» I EISA
2(88) - 2 F F F
«slot» 2 EISA
8(8)0 - 8 IT F
«slol» 8 EISA
0(88) - 9 F F F
extra «slots»
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cuilo adicional de interfaz que las re suelva local mente, utilizando en mayor o menor grado hard+soft propio. El último elemento de la interfaz es el acondicionamiento de señal, donde se adaptan los niveles T T L digitales del PC a los valores de planta: señales tam bién digitales pero en tensiones con tinuas de 24/48 V D C o alternas de 48/110/220 V A C , señales analógicas débiles de termopar. entradas R T D . la zos de corriente 4-20/0- ± 10 mA, relés electromecánicos y de estado sólido, salidas SSR , etc. La figura 17.7 muestra algunos ejemplos de circuitos acondi
cionadores de señal analógicos y digi tales. Para mayor información, puede consultarse la referencia 16], Además de las tarjetas de entrada/ salida, pueden conectarse también al PC interfaces de comunicación, que re suelven los problemas de transferencias de datos entre éste y otros instrumen tos, periféricos remotos u otras má quinas. Son ejemplos de interfaces de comunicaciones las tarjetas G P IB , RS232/422/485, etc. Si una aplicación utiliza varias tar jetas. necesitará también varios puestos de enchufe («slots») para ellas.
Para PC montados sobre placa ma dre («motherboards»), modelos con vencionales o estaciones de trabajo in dustriales, los eoneetores d isponi bles en el sistema son escasos, por lo que será necesario incrementar su nú mero. Incluso los ordenadores montados sobre bus pasivo («passive backplane») pueden necesitar incrementar el nú mero de «slots» disponibles. La solución pasa por utilizar una ex pansión del bus, conseguida al llevar las conexiones a una carta o bastidor externo a través de los amplificadores
figura 17.7. Acondicionadores de señales E/S analógicas /digitales. PLA N T A
a)
PC
Acondicionador de s e ñ a l an aló g ica de e n trad a
M Ó D U L O D E E N T R A D A A C/D C
M Ó D U L O D E S A L ID A D C
b) A condicionadores de s e ñ ales digitales de en trad a y salida
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M Ó D U L O D E S A L ID A AC
lineas de interrupción utilizadas, son configurables sobre ella mediante m¡crointerruptorcs o param etrización software. Las direcciones de entradas/salidas en estaciones remotas pueden ser au tomáticamente configuradas por la red. o seleccionabas por usuario mediante microinterruplores. De esta forma, cada posición de me moria F./S en la tarjeta base se corres ponde con un registro remoto de en trada/salida según la dirección com puesta «dirección de estación + direc ción de tarjeta». Todas las aplicaciones industriales en que interviene un PC, las más fre cuentes de las cuales se comentan a continuación, utilizan de una u otra forma los conceptos y circuitos de in terfaz aqui comentados.
Figura 17.8, Concepto de bus PC expandido. de línea correspondientes (figura 17.8). El bastidor incorpora normalmente su propia fuente de alimentación. Típicamente, los amplificadores tie nen por misión recomponer la señal recibida y amplificar la señal transmi tida, de forma que la capacidad parásita del cable no aparezca sobre los buses del sistema local ni extendido, distor sionando la señal [5], Aunque estos amplificadores intro ducen retardos en las lineas, las señales Je tiempo de las tarjetas poseen már genes suficientes para aceptarlos sin problemas. Una solución semejante, aunque tec nológicamente más compleja consiste en disponer un controlador de comu nicaciones sobre el bus PC, unido me diante un enlace serie (RS-485) con controladores remotos sobre estaciones o chasis alejados del PC (figura 17.9). F.stas estaciones aceptan un número variable de tarjetas de entrada/salida que. con los acondicionadores de señal adecuados, se encargan de la interfaz con la planta. Las señales son codifi cadas y enviadas por la línea a la con troladora base, que las deposita en un area de memoria desde donde pueden ser leídas o escritas por el PC con ins trucciones estándar de acceso a me moria. Vista desde el exterior, la es tructura transfiere las señales de planta a un área de memoria del PC mediante procedimientos de multiplexado en el
tiempo organizados por la controladora base, que actúa como maestro de la red. Una estructura de este estilo ofrece miles de canales analógicos y digitales distribuidos dependientes de un único PC, con conexiones de bajo coste por cable trenzado y protocolos de comu nicación resueltos por el fabricante e incorporados al hardware de las tarjetas controladoras de comunicaciones lo cales y remotas. La configuración de la taijeta base, direcciones (de memoria) ocupadas y
Figura 17.9. Concepto de entradas /salidas distribuidas
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17.6. S IS T E M A S D E A D Q U IS IC IÓ N D E D A TO S Por Sistema de Adquisición de Da tos (S A D ) se entiende el conjunto de dispositivos, líneas e interfaces que rea lizan la conexión entre los sensores de medición y un ordenador central que realiza el procesado y almacenamiento de la ¡nformiición. Aunque tradicionalmente se asocia el concepto de adquisición de datos al de tarjetas de adquisición (T A D ) co
17.6.1. Sistemas de adquisición basados en tarjetas T A I)
T A R JE T A S DE .... A O Q U IS IC lC iN ^ X K l)
M ' Y// ~A
íSP
ACO N DICIO NAD O RES DE S E Ñ A L
IN STRU M EN TO S G P I0 - H P IB
/
^ II
IN ST RU M EN T O S
V XI
IN ST R U M EN T O S RS-23Z/A22/485
PRO C ESO
Figura 17,10. Sistemas alternativos Je adquisición Je datos. nectadas al bus del sistema de un or denador (plataformas P C / D O S / W in dows o estación de trabajo/U n\s), tam bién los fabricantes de instrumentación inteligente dotan a sus productos de ca pacidades de interfaz con un ordenador maestro, que se convierte asi en el ges tor de la información recogida por un sistema multiinstrumental (lig.17.10). Pueden entonces establecerse dos clases genéricas de SA D : - Los basados en tarjetas de entrada de datos analógico/digitales, uni das al bus del ordenador bien di rectamente, bien a través de ca nales de comunicación desde un «rack» externo de expansión, Los basados en instrumentos ex ternos de medida con funcionali dades características, unidos al or denador mediante una interfaz es tándar de comunicaciones, usual mente G P IB . V M E o V X I. Podrían también considerarse los instrumentos específicos unidos al or denador por la clásica línea serie RS232/422/485 con protocolos propios de fabricante. Esta solución, que exige que corra sobre el PC un software también específico de fabricante (aunque puede haber sido programado por el usuario si dispone de los protocolos), resulta evidentemente cerrada para aparatos o instrumentos de otros fabricantes.
Otra posibilidad para organizar sis temas de adquisición de datos consiste en utilizar tarjetas de instrumentación para PC. Estas tarjetas, denominadas P O P , son aparatos con todas sus pres taciones contenidas en una tarjeta conectable a cualquier ordenador PC o compatible (buses IS A / E IS A ). evitan do el empleo de buses estándar inter medios como los G P IB / IIP - IB Los resultados son recogidos, pro cesados y visualizados por el propio PC. con una relación precio/prestaciones muy superior a la de instrumentos con vencionales. La razón es evidente: estas tarjetas no necesitan chasis, ni alimen tación. ni pantallas de visualización ni mandos; es el PC quien ofrece estas funciones. Como el resto de instrumentos coneclables a PC, las tarjetas PC’IP pue den ser utilizadas en modo manual, so bre paneles de control que aparecen en la pantalla del PC, o en modo progra mado, utilizando algún lenguaje están dar como B A S IC o C. Dado que la misma función que las P C IP puede conseguirse con una tar jeta estándar de adquisición más un software de procesado de señal e in terfaz con usuario (instrumentación virtual), no se desarrolla en el texto esta solución particular, considerándola in cluida dentro del apartado general si guiente en que se tratan las tarjetas de adquisición.
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Los sistemas de adquisición basados en tarjetas unidas a un ordenador per sonal, frecuentemente un compatible PC. constituyen una de las más fre cuentes soluciones instaladas. E.n estos sistemas, toda o gran parte de la in teligencia del proceso está contenida en el PC, por lo que el tipo de ordenador, sistema operativo y software utilizado determinan las posibilidades y presta ciones del sistema de adquisición. Las tarjetas conectadas pueden estar mapeadas como E/S en los tipos más simples, o como memoria en los más complejos. Fin el primer caso se tienen las venta jas de la simplicidad de la conexión y parametrización (el mapa de direcciones E/S es bien conocido, y está ya en parle decodilicado sobre el bus), y los incon venientes por la limitación en el nu mero (direcciones) de tarjetas posibles. En el segundo caso, las tarjetas son vistas por el ordenador como una zona más de memoria de lectura/escritura, sin prácticamente limite en el número de canales analógicos y digitales dis ponibles, pero se complican los pro tocolos de adquisición, resolución de prioridades de atención, asignación de interrupciones, etc., y se limita la ve locidad de adquisición de datos. Gran parte de las T A D utilizadas in corporan conversión A/D y D/A, así como canales adicionales E/S digitales y capacidad de conteo/temporización Las salidas analógicas son frecuen temente necesarias para proporciona' estímulos al sistema D A Q («Data Acq uisition »). Consideraciones como tiempo de asentam iento («seetling lime») y velocidad de cambio («slew rale») determinan la rapidez con que puede cambiar la salida analógica en una aplicación (por ejemplo, de alta fre cuencia), mientras que el número de bits determina la resolución, o mínimo incremento de la señal de salida que puede alcanzarse. Las señales digitales E/S se utilizan en sistemas D A Q para controlar el pro ceso, generar patrones de test, y co municarse en general con los periféri cos. Los parámetros a considerar serán el número de lineas disponibles, la ve locidad de entrada y salida de datos s
la capacidad de corriente de las líneas. Al igual que en los registros analógicos, las transferencias pueden gestionarse en modo programado, por interrupción o por acceso directo a memoria, co mentados más adelante. La señal di gital transferida es frecuentemente de nivel T T L (0/5 V D C , pocos mA). por lo que muchas veces será necesario dis poner de acondicionamiento de señal en entrada y salida [6], para obtener es¡os niveles T T L desde las señales del proceso, o para proporcionar niveles de señal propios del mando industrial (por ejemplo, 220 V A C @ 1A para el control de una electroválvula). Los circuitos de contaje y temporización se utilizan evidentemente para contar sucesos y temporizar señales, pero también para generar relojes o pa trones, ondas cuadradas y pulsos. Las especificaciones más significativas de estos elementos son la resolución y la frecuencia de reloj, por ejemplo 24 bits ;. 20 M Hz. La primera indica el número de bits que el contador utiliza para con tar, y de su número depende la capa cidad de cuenta del mismo (en el ejem plo, 2Í4), mientras que la segunda limita a frecuencia máxima de las señales a contar, o a generar en aplicaciones de iscilador/generador de onda cuadrada. Cuando la entrada de pulsos del con tador se sustituye por un reloj interno de frecuencia constante («timebase»), el contador se convierte en un tem’orizador o medidor de tiempos. Las señales analógicas de entrada pueden conectarse en modos común y diferencial. En el primer caso, las se ñales (típicamente tensiones, v > 1 V ) están referidas a una masa común, mientras que en el segundo cada señal tiene su propia referencia, siendo la tensión a medir la diferencia entre los dos hilos de entrada (In-f, In—). Esta conexión diferencial es muy utilizada cuando la distancia entre la fuente de señal y la tarjeta de adquisición es gran de, ya que el elevado factor de rechazo de modo común de la entrada diferen cial de la tarjeta elimina el ruido in ducido simultáneamente sobre las lí neas diferenciales de transmisión. La forma en que se realiza la trans ferencia de datos entre la tarjeta y el PC (por programa, por interrupción o por acceso directo a memoria) afecta al ancho de banda máximo del canal analó
gico de entrada (fijado esencialmente por la frecuencia de muestreo. «sampling rate»), y a la velocidad de actualización de la información digital. Para aplicaciones industriales típicas, por ejemplo, / < 20 kHz, la frecuencia de muestreo deberá ser de 40 kHz o superior, para evitar problemas de «aliasing», y la frecuencia de transmi sión al PC del mismo orden, si quiere evitarse incluir memoria adicional en la tarjeta, o tarjetas adicionales de me moria. Para estos casos de baja velo cidad, el modo de lectura puede ser programado, ordenado por el software periódicamente. Si por frecuencia de señal o lentitud en el software esto no fuera posible, debe ser la tarjeta quien advierta al sis tema y tome la iniciativa de transmitir. Esta transferencia puede hacerse por interrupción o D M A («Direcl Access Memory»), En el primer caso la tarjeta interrumpe a la C P U y ésta entra en la rutina correspondiente, desde donde lee datos de la tarjeta y los deposita en memoria. E l procedimiento es sencillo de implementar. pero penaliza al resto de sistemas E/S y al proceso de los da tos, pues durante la interrupción la C P U se dedica exclusivamente a la tar jeta y soporta todo el movimiento de datos, que pasan siempre por ella. Para realizar las transferencias de acceso directo la tarjeta incorpora un procesador D M A , que interrumpe al pro cesador central, toma el control de los buses y organiza el movimiento de da tos entre los registros de tarjeta y me moria, con velocidades de transferencia del orden de 100 kHz o mayores. Para transferencias a mayor veloci dad pueden utilizarse múltiples canales D M A , pero existen limitaciones por la velocidad de proceso de la C P U , que debe tratar los datos depositados en memoria, por la velocidad de transfe rencia al disco, donde deben volcarse periódicamente los datos en R A M para dejar espacio a otros nuevos, o incluso por el ancho de banda del bus PC a donde está conectada la tarjeta. Las últimas versiones comerciales de estas tarjetas de entrada/salida para PC no son configuradas ni calibradas me diante microinterruplores, potenció metros o puentes, sino directamente mediante el software de instalación p ro p o rc io n a d o por el fa b ric a n te
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(«switchless/jumperless»). Utilizando las últimas tecnologías «Plug and Play» (conectar y listo), incluso las direccio nes base E/S son seleccionadas por cl software. Pueden insertarse las tarjetas en los buses IS A o E IS A , M C A . PC I. P C M C IA , N u B U S , etc., configurar las direcciones base E/S. los niveles de in terrupción y los canales D M A sin locar el hardware, mediante cualquiera de las siguientes tres posibilidades: — acceder directamente a los registros del hardware instalado. — utilizar los «drivers» de configu ración proporcionados por cl fa bricante, — programar el hardware mediante un software de aplicación. La primera es la más costosa en tiempo, ya que obliga a conocer lodos los detalles del hardware: direcciones de registros de datos y control, formato de los comandos de configuración y control, etc. La segunda permite utilizar menús o estructuras de configuración propor cionados por el fabricante, a los que se accede desde el sistema operativo ins talado en el PC (D O S, Windows...). Si el «driver» se usa integrado dentro de una aplicación, debe comprobarse la compatibilidad del mismo con el lenguaje de programación utilizado (VisualBasic, QuickBasic, C, TurboPascal, etc.). La tercera posibilidad consiste en utilizar el hardware directamente desde la aplicación, siendo ésta la encargada de llamar y parametrizar los «drivers» de configuración de forma transparente para el usuario, quien únicamente de cide la jerarquización y direcciones de sus canales de entrada/salida. El mercado ofrece una gran variedad de tarjetas E/S analógicas o multifunción. con frecuencias de muestreo des de 100 kHz a I M H z y resoluciones de 8 a 16 bits, como características más destacables en las de entrada, y tiem pos de asentamiento de micro a nanosegundos y señal en tensión o co rriente en las de salida. Para sistemas de adquisición múlti ples, donde intervienen decenas o cen tenares de señales, los fabricantes dis ponen de sistemas multicanal que in corporan la interfaz (hard + sol't) de
comunicación entre las unidades de lectura/escritura de señal y el bus PC. limitándose el usuario, una vez insta lada la línea, a colocar las unidades que necesita sobre un bastidor externo (fi gura 17.11). Un sistema multicanal de entradas/ salidas para PC consiste en su forma más general en un conjunto de mó dulos E/S acondicionadores de señal analógica/digital (figura 17.7) instalados sobre un chasis remoto que los interconecta entre sí y con el ordenador PC maestro mediante un cable unido a una placa controladora de enlace instalada sobre el bus PC. Esta controladora pue de además incorporar su propio siste ma E/S, denominándose entonces con troladora multifunción (figura 17.12). Como en el caso de las tarjetas E/S locales, las controladoras ocupan cier tas posiciones del mapa de memoria o de entradas/salidas del PC, seieccionables mediante software de configu ración o microinterruptores.
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Figura I7.il. Interconexión del PC con E/S remotas.
Figura 17.12. Tarjeta controladora de enlace multifunción.
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Las señales analógicas y digitales de entrada y salida son tratadas sobre los módulos acondicionadores de señal, que las amplifican, aíslan, multiplexan, filtran y procesan en general, envián dolas sucesivamente hacia la controladora/convertidora en el bus del PC en el caso de las entradas, o hacia los bornes de conexión en el caso de las salidas. Los módulos aceptan una gran variedad de transductores y señales, como termopures, R T D , galgas e.xtcnsiométricas, termistores, fuentes V/l y señales digitales y de pulsos. Una uni dad de comunicación sobre el chasis se encarga de establecer el enlace con la controladora en el ordenador. Esta solución de unir la tecnología de propósito general del PC con la po tencia de las tarjetas de adquisición de altas prestaciones insertadas en su bus, conectadas a sistemas de acondicio namiento externos sobre bastidor, es la más rentable para la adquisición de gran número de señales de entrada. Un ejemplo de estos sistemas de adquisición múltiples es el S C X í de National Instruments [7], sistema multicanal de acondicionamiento de altas prestaciones para tarjetas D AQ . S C X I consiste en un chasis externo, robusto y de bajo ruido que aloja mó dulos de acondicionamiento de señal para la amplificación, multiplexado y aislamiento de señales externas. Los módulos S C X I son placas impresas blindadas que se insertan en el bus S C X I. Gracias a sus protecciones con tra interferencias, el bastidor S C X I es capaz de manejar señales analógicas de muy bajo nivel, Al ambiente exterior de conexión con PC se envían señales ya acondicionadas, de alto nivel. Decenas o centenares de líneas ana lógicas y digitales pueden acomodarse en un PC usando las expansiones des critas, sobre uno o varios chasis, para todo tipo de aplicaciones de adquisición de datos y control de planta. S C X I, por ejemplo, permite la conexión en serie de múltiples chasis, procesando más de 3000 señales con una sola tarjeta de adquisición de datos en el PC.
tándar de dominio público, lo que me jora la oferta de instrumentos compa tibles ofrecida por diferentes fabrican tes. Aunque son frecuentes las redes de instrumentos bajo ordenadores con sis tema operativo Unix y arquitectura no PC, el alto precio de estas plataformas y la mejora de prestaciones de los PC ha impulsado el empleo de éstos como maestros de redes estándar de instru mentación. Una de las interfaces más comunes es la HP-IB, protocolo paralelo de 8 bits aceptado como estándar IEEE-488.1 en 1975 y mejorado como A N S 1 / IE E E 488.2 (G P IB ) en 1987. El primero de fine las especificaciones mecánicas, eléctricas y el protocolo hardware, mientras que el segundo hace hincapié en los formatos, códigos de datos y co mandos y protocolos en general. El es tándar incorpora una definición precisa de las comunicaciones entre los instru mentos y el ordenador, con definición de los protocolos de intercambio de mensajes, secuencias de control, infor maciones de estados, etc,, permitiendo la incorporación de una gran variedad de instrumentos y fabricantes. Con alta velocidad de transferencia (hasta 1 Mbyte/s en operaciones de lec tura/escritura), cable de conexión es tándar y control de hasta 15 aparatos desde un mismo controlador (frecuen temente, un PC, figura 17.13), el G P IB permitió a los usuarios controlar por primera vez sus instrumentos mediante un programa, definiendo las secuencias de comandos desde y hacia ellos.
Otra propuesta muy extendida es la V X I. bus para instrumentación deri vado del conocido V M E que combina la idea de instrumentos prograrnables con la de tarjetas en arquitectura de bus de ordenadores. La arquitectura final resultante es un sistema distribuido de adquisición de datos con instrumentos en forma de tarjetas conectadas en «rack» y controladas por un procesador central. La plataforma V X I combina lo mejor de los dos sistemas, tarjetas de adqui sición c instrumentos prograrnables, con menor coste que estos últimos y mayor facilidad de programación que las tarjetas. Además, el instrumento re sultante para una cierta aplicación es de menor tamaño que los clásicos G P IB , y su velocidad es superior a la de las tarjetas T A D , al apoyarse sobre el bus V M E de 32 bits de ancho de banda, m uv su p erio r a los típ icos buses PC/AT. E l instrumento V X I no tiene panel frontal, por lo que el software que corre sobre el procesador, muchas veces un compatible PC, debe incluir una inter faz gráfica que simule el panel y los mandos si el usuario necesita acceso al instrumento. En la actualidad existen tres confi guraciones V X I disponibles (figura 17.14 [8J [2]), dos de las cuales son con ordenador externo y una tercera con procesador en chasis («em bedded C PU »): — Configuración G PIB-V X I: una in terfaz software traduce de forma
Figura 17.13. Sistema de adquisición de datos IEEE 4SS (GPIB).
17.6.2. Sistemas de adquisición basados en instrumentos Los sistemas basados en instrumen tos externos se apoyan en interfaces es
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tas, los nuevos sistemas de intrumentación basados en tarjetas con interfaz estándar al ordenador intentan com paginar todas las ventajas: rapidez, modularidad, facilidad de conexión y am plias gamas.
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17.7. E L PC C O M O C O N T R O L A D O R IN D U S T R IA L
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Finura 17. ¡4. Con/iguradoncf VX!. transparente los protocolos G P IB a V X I y viceversa. El controlador «ve» los instrumentos V X I como los familiares G P IB . — Configuración A/A'/: el adaptador M X I («Multi-system eXtension Interface») conecta el bus interno del PC directamente a la placa base («backplane») V X I, mediante un cable flexible que constituye una versión simplificada del bus V M E . El ordenador, por tanto, «ve» los registros V X I directa mente en su espacio de memoria, aunando las ventajas de prestacio nes V X I con la flexibilidad de un ordenador externo. — Procesador V X I en chasis: el pro cesador (que puede ser un com patible PC ) se encuentra física mente localizado dentro del chasis V X I, con lo que se consigue la solución más compacta de todas las anteriores. Si se necesita in terfaz con usuario deberán colo carse los teclados y pantallas ne cesarios. unidos al chasis median te los puertos de procesador co rrespondientes.
Las dos últimas configuraciones ne cesitan del software específico de con trol V X I, que debe disponer de utili dades de configuración, control inter activo del bus y protocolos de comu nicación. Este software, disponible en lenguajes populares como B A S IC o C para distintos sistemas operativos, ac túa como interfaz («driver») entre la aplicación y el bus. Con centenares de instrumentos dis ponibles, decenas de fabricantes invo lucrados y un estándar definido, el I E E E 1155, V X I está experimentando un fuerte crecimiento en lodo el mun do en aplicaciones básicas de test y me dida |9|, aunque dadas sus capacidades de velocidad, medularidad y multipro ceso no hay que descartar un fuerte de sarrollo también en aplicaciones de control industrial. E n co n clu sió n , los sistem as de adquisición de datos con PC basados en tarjetas se caracterizan por su modularidad, flexibilidad y velocidad en la adquisición y los sistemas basados en instrumentos por su mayor facilidad de conexión y su gran gama comercial. Buscando lo mejor de ambas propues
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Un controlador digital industrial se define como un sistema basado en mi croprocesador capaz de comunicarse con el proceso para realizar funciones de supervisión, control, mando y re gulación, monitorización de la produc ción, gestión de alarmas y coordinación de aparatos subordinados. Las tareas de mando r regulación de los elementos de planta son las más crí ticas (en el tiempo) de todas las que aparecen en la automatización indus trial. Con funciones como: - captura y tratamiento de datos del proceso, - mando de actuadores y acciona mientos, - control de magnitudes críticas, - memorización de estados de ope ración, etc.. las advertencias, alarmas y errores de operación en este nivel se traducen in mediatamente en defectos de fabrica ción. con incidencia directa en la pro ducción. Además, los equipos dedicados al control directo de planta están sujetos a los mayores niveles de agresión me cánica. química y electromagnética de todos los que intervienen en la auto matización: suciedad, chorros de agua, vibraciones y golpes, microcortes y puntas de lensión. etc., son algunos de los riesgos habituales a que están so metidos. La elevada sensibilidad de la pro ducción a los fallos en este nivel, junto con la dureza ambiental comentada, han alejado tradicionalmente al PC de las cadenas directas de producción. Sin embargo, esta situación está cambiando en la actualidad. La dis ponibilidad de equipos con elevada protección ambiental, y las mejoras en robustez, fiabilidad, expansibilidad y accesibilidad están permitiendo el uso
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de los PC también a nivel de planta, donde, con presentaciones típicas de estación de trabajo o chasis cerrado para montaje en bastidor (monitor y teclado aparte), estos equipos pueden actuar: — como maestros tle una retí tle au tómatas, con enlaces y protocolos decididos por el fabricante de és tos. — directamente sobre planta, median te tarjetas o módulos E/S comer ciales insertados en los «slots» dis ponibles o conectados en unida des remotas de entrada/salida de datos. — en estructuras de inteligencia dis tribuida D CS («Distributed Con trol System», Sistemas de Control D is trib u id o ), funcionand o en coordinación con otros controles, como A P I, PID , C N , etc., y con unidades remotas inteligentes sensoras y actuadoras. La primera solución, el PC supervi sando a un equipo subordinado de au tómatas, es históricamente la más anti gua, y puede considerarse una aplica ción de control de producción y no de mando en planta. La aparición del PC como contro lador directo de planta es más reciente, y está ligada a la mejora de sus carac terísticas electromecánicas y de protec ción. y a la disponibilidad de sistemas operativos multitarea y multiusuario de respuestas en tiempo real. Las estructuras de inteligencia dis tribuida. por último, son el resultado lógico de la evolución de las anteriores, combinando las altas velocidades de transferencia de los nuevos buses de campo con la disponibilidad de peri féricos remotos con capacidad de de cisión (inteligentes), tanto los contro ladores clásicos de planta, autómatas y otros, como los nuevos sensores, acluadores e instrumentos inteligentes. Son posibles combinaciones, y de hecho se dan frecuentemente, entre las estructuras anteriores. Así, un PC po dría estar soportando un software de adquisición y control que intercambia datos con la planta a través de autó matas programables conectados a un puerto serie, de tarjetas E/S conectadas a sus buses de sistema o expansión, y de sensores y actuadorcs conectados a
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un bus de campo gestionado por un procesador de comunicaciones (sobre tarjeta en bus), en una estructura hí brida de gran potencia y flexibilidad. 17.7.1. Red de aiilómatas-PC La imagen de un PC supervisando la actuación de controles directos de plan ta, principalmente autómatas, es bien conocida por los técnicos de automa tización: por algo fue el primer intento de acercar el ordenador PC al nivel de planta. En estas estructuras, el PC se limita a la sapenislón tic los autómata\ co nectados. \ a procesar los datos reci bidos para darles la forma adecuada para su almacenamiento o tratamiento posterior. Cada uno de los autómatas conec tados contiene y ejecuta su propio pro grama. capturando las entradas que ne cesita y actuando sobre las salidas que gobierna (inteligencia local), mientras que el ordenador, colocado en el nivel superior de control de proceso (inteli gencia central), supervisa la evolución de la planta leyendo los estados de la misma en la memoria de los autómatas locales y actuando en los niveles de de cisión que afecten a varios de ellos, por ejemplo, para cambiar menús tle pro ducción, sincronizar los procesos, re dirección de la planta por análisis de tendencias, etc. Con tiempos de respuesta muy lar gos. supeditados al «sean» del autó mata (quien decide cuándo y cómo del enlace lógico) y a los retardos de trans ferencia por la red, el software sobre PC no puede pretender el control di recto de las señales rápidas de planta o de los lazos de regulación, por lo que se limita a la observación, modificación de recetas y menús. almacenamiento de datos y seguimiento de alarmas del proceso, además de actuar tle Interfaz entre usuario y planta y. cvenlualmcntc, entre planta y otros sistemas. Op cionalmente, el PC puede realizar ope raciones no criticas en el tiempo entre variables de planta, por ejemplo, ope raciones aritméticas complejas (coma flotante, cálculo exponencial, etc.), fue ra del alcance del juego de instruccio nes de un autómata típico. Los fabricantes de autómatas, deseo sos de integrar sus máquinas en ar
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quitecturas globales de automatización, suministran los protocolos de enlace con sus C P U . o directamente los «drivers» ya programados para su incor poración al desarrollo del usuario.’ Este, por su parte, podrá programar su aplicación utilizando lenguajes es tándar de programación, o apoyarse en entornos funcionales ya definidos y dis ponibles eomcrcialmente, con las co municaciones e interfaz resueltas, que deben únicamente ser parametrizados y programados para definir las relacio nes deseadas entre las variables de la aplicación. Los enlaces PC-autómalas en estas configuraciones utilizan interfaces tísi cas sencillas, tipo RS-232/422/485 en transmisión asincrona, con protocolos también simplificados que buscan más la seguridad de la transmisión que la velocidad en la transferencia. La figura 17.15 muestra un ejemplo de estas conexiones, con un enlace asincrono RS-485 a %00/19,200 b/s en bus «half-duplex» de donde derivan los adaptadores de conversión (« L in k Unils») a la interfaz particular de cada autómata conectado, siempre de la mis ma marca. Obsérvese también el adap tador de red en la cabecera de la mis ma, que convierte la señal 232 del puer to C O M del ordenador a los niveles 485 de transmisión, mucho más seguros desde el punto de vista de susceptibi lidad a las interferencias electromag néticas. 17.7.2. El PC’ en control directo de planta En control directo sobre planta el PC se dedica a la ejecución de los lazos pro gramados tic matulo r regulación, sin in tervención de autómatas o reguladores, que no existen. Para ello, el ordenador necesita de entradas/salidas específicas que realicen la interfaz completa entre la C P U y el mundo exterior. Esta fun ción la cubren las tarjetas E/S indus triales. que se montan tanto en esta ciones de trabajo como en chasis para bastidor. Existe una gran oferta en tarjetas E/S para PC. para conexión a placa madre («motherboard») o para conexión a bus pasivo («passive baekplane»), con di ferentes grados de protección, incluso blindadas:
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Figura 17.15. Conexión l:i\ de autómatas a ordenador. • • • •
E/S digitales, E/S analógicas. temporizadores y contadores, medida analógica directa desde termopar, R T D , galgas, etc. • control de servomotores, motores paso a paso,... • tarjetas multi-E/S, combinación de las anteriores, etc.
A l igual que las tarjetas T D A , con las que guardan muchos puntos en co mún (se confunden incluso en ocasio nes), también las tarjetas industriales pueden estar mapeadas como memoria o como expansión E/S. Muchas de estas placas sólo nece sitan configurar vía hardware (microinlerruptores o puentes) la dirección base c interrupciones que utilizarán dentro del sistema, siendo el resto de sus fun ciones de configuración accesibles me diante un paquete de software («driver») proporcionado por el fabricante. Otras, en una opción cada vez más fre cuente. son totalmente eonfigurables vía software. La figura 17.16 muestra una familia de tarjetas de entradas/salidas digitales, de 24, 48, 72 y 120 puntos, con direc ción de bus seleccionable mediante puentes en placa y lineas E/S de ni veles T T L (0/0.8-2.3/5 V ) amplificados en corriente (fuente. 18 ntA. sumidero. 24 ntA), lo que permite su conexión d ire c ta a p laca s e x te rn a s m o n
tadas en bastidor con relés electro mecánicos o de estado sólido, que pro porcionan el conveniente aislamiento eléctrico entre el PC y la planta. Exis ten también ofertas de tarjetas con conectores y relés incorporados que eli minan la necesidad del bastidor auxiliar exterior. La figura 17.17 muestra el diagrama de bloques de una tarjeta típica de 24 E/S, basada en el conocido puerto pa ralelo programable 8255 (10). Con canales E/S optoaislados, am plificadores de corriente de salida («1/0
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Bull'ers». «Rced Relay»), canales ana lógicos en modo común o diferencial, contadores y temporizadores concetahles en cascada, fuentes controladas de tensión o corriente, osciladores, etc., las tarjetas de expansión E/S permiten configurar un controlador industrial a medida basado en PC, con la única li mitación de los puestos de enchufe dis ponibles. En sistemas pequeños, esta limita ción desaparece con la conexión de chasis o placas de expansión de hus, unidas al PC mediante cable paralelo, mientras que para sistemas de gran ta maño, con centenares de puntos E/S, la solución pasa por la conexión de E/S remotas, bien unidas al bus PC me diante interfaces tipo R S y protocolos y controladores específicos de fabrican te. bien mediante interfaces y buses de campo industriales, como Bitbus, Profibus, Interbus S, etc., (ver el capítulo 15 para más información acerca de es tos buses). En estos últimos sistemas, el orde nador no sólo supervisa la evolución de la planta, sino que ahora, aprovechan do las altas velocidades de transferencia del bus, ejecuta acciones de mando di recto sobre ella a través de las E/S dis tribuidas. Un ejemplo de E/S remotas es el sis tema S IX T R A K de S IX N E T [ll|. con junto modular de E/S para PC de mon taje en carril D IN y conexión directa a MS-Windows y múltiples programas
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Figura I 7.17. Diagrama de bloques de una tarjeta para PC con 24 E/S. SC'ADA comerciales (ver apartado 17.8) que corren bajo sistemas operativos DOS, OS/2, Unix y Q N X , mediante los «drivers» S IX N E T o estándar M O D B U S suministrados con el sistema. S IX T R A K se configura mediante una o varias estaciones, que contienen los módulos E/S gestionados por un pro cesador local de comunicaciones, «gateway» (pasarela) que transfiere los puntos E/S a memoria del PC me diante interfaces de distintos tipos, in cluso combinados entre si, según la aplicación: — Vía Ethernet, para aplicaciones m u lt ip u n t o y m u lt iu s u a r io (m ultiPC), con transferencias a 10 Mb/s y protocolos TC'P/IP. MSWindows/Workgroups y otros es tándares. — Vía RS-232/422/485. para aplica ciones mono/multipunto y nionousuario. con transferencias u 57,6 Kb/s y protocolos S IX N E T (propio de la marca) y M O D B U S . — Via RTUnet, red en anillo de la marca para aplicaciones multipun to y monousuario a largas distan
cias (mayores de 3 km), con trans ferencias a 9,6 Kb/s y protocolos S IX N E T y M O D B U S . Los m ódulos disponibles cubren cualquier aplicación industrial, con E/S analógicas de 16 bits de resolución y utilidades solt para filtrado y calibra ción. señales de tensión, corriente, termopar y R T D , E/S digitales aisladas multirrangos A C y DC, contadores rá pidos hasta 50 kHz, etc. La figura 17.18 muestra como ejem plo de estas interfaces la correspon diente a la red Ethernet, que permite un acceso multiusuario a los datos E/S de planta desde cualquier ordenador conectado, mediante una arquitectura abierta de gran capacidad y alta velo cidad de transferencia. La figura 17.19 muestra el aspecto de una de estas estaciones, con la fuente de alimentación y el procesador de co municaciones Ethernet en la parte in ferior, y los módulos E/S (96 I/O) co locados en los carriles superiores. El software proporcionado por la marca incluye «drivers» para los len guajes de programación más comunes.
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como Microsoft Visual C/C++, Micro soft Visual Basic, Borland C++, etc., > para el sistema operativo Windows, cu yas aplicaciones (Excel, FoxPro, SCADA,...) acceden a la planta a través del D D E , Network D D E y llamadas direc tas D L L , compartiendo el mapa común de puntos E/S (figura 17.20). Otro ejemplo de bus de conexión de entradas/salidas distribuidas para A P I o PC es InterBus S, bus de sensores/actuadores para aplicaciones indus triales de tiempo real de hasta 4096 puntos E/S analógicos y digitales, ca paz de actualizar, en memoria del PC o A P I que actúa como maestro, 1024 señales digitales distribuidas sobre 13 km de conexiones, con tiempos de ci clo menores de 2 ms. Con un protocolo de trama muy sim ple. InterBus está normalizado (D IN 19258) como un bus rápido de sensorcs/uctuadores. De instalación trans parente para el autómata programable u ordenador que actúan como maes tros, el programa de usuario «ve» en memoria de éstos el estado de las se ñales del proceso, que se actualizan se gún el orden fisieo de los módulos E/S
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A P I IC ACIÓN WINDOW S
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h'ÍKura 17.20. Comunicación can planta de las aplicaciones Windows. Esta inteligencia, obtenida incorpo rando microprocesadores y subsistemas de electrónica digital, permite al ele mento final funciones avanzadas como: — Comunicaciones, que bajo el pro tocolo adecuado permiten al ele mento transferir al ordenador «host» informaciones como valor de la variable de proceso, estado actual del elemento, configuracio nes, ajustes, identificación, histó ricos de proceso, etc. — Autodiagnóstico, para permitir al equipo verificar, a intervalos re gulares o periódicamente, su pro pio funcionamiento y/o el del lazo en que se encuentra, transmitien do al «host» cualquier anomalía. — Parametrización soft, que permite al elemento, tanto de entrada como de salida, recibir órdenes de configuración dinámica desde el ordenador, según éste decida en función de la evolución de planta. — Ejecución local de ciertas funcio nes, que descargan al ordenador de trabajo adicional, como regu lación P ID , corrección local de errores debidos a factores exter nos (presión, tem peratura,...), cambios de escala, etc.
mentos de compras, calidad, manteni miento, etc., que pueden establecer asi estrategias globales de producción y ca lidad. Por ejemplo, la norma ISO 9000 exige la documentación de la historia de los instrumentos de medida en re
lación con las fechas de recalibración, lo que resulta muy sencillo de obtener con las estructuras distribuidas comen tadas. Pero no solamente por la via del co nocimiento se obtienen beneficios con estas estructuras de control distribuido: el reparto de inteligencia permite a los sistemas superiores, autómatas y or denadores, aliviar su dedicación, lo grando tiempos de reacción más rápi dos. y parametrización, diagnóstico y puesta a punto más sencillos, redu ciendo los tiempos de intervención y las necesidades de personal. En estas estructuras orientadas a bus el ordenador ya no es el elemento prin cipal, maestro de la misma tanto a efec tos funcionales como de gestión de los recursos conectados. Sigue ocupando un lugar preeminente: su gran capaci dad de proceso y almacenamiento, fácil interfaz con usuario y otros sistemas y cómoda medularidad lo permiten; sin embargo, la gestión del sistema ya no depende de él: es el bus. y sus pro-
Figura 17.21. Modulas rematas de F./S para InlcrHus. cortesía de l’haenix Cantad.
La capacidad de comunicación de es tos elementos, no sólo sensores y ac tuadores. sino también instrumentos, permite la creación y mantenimiento automático de grandes bases de datos, útiles por ejemplo para los departa
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loeolos quienes deciden las prioridades de acceso, el formato de las tramas, la configuración de las estaciones conec tadas, etc. Esta situación libera al PC de aquella servidumbre: son ahora los fabricantes de instrumentos, procesa dores de comunicaciones y controla dores locales quienes, reconociéndolo, suministran sus componentes con las interfaces necesarias para conexión al bus. De esta forma, el PC se limita a intercambiar con los periféricos (inte ligentes) información y órdenes, según procesos transparentes para el usuario, que se limita a organizar sólo las se cuencias de control que necesita, bien programándolas directamente en cual quier lenguaje estándar de programa ción, bien utilizando entornos de adquisición y control predefinidos (S C A D A ), que debe sólo adaptar a su aplicación, Por supuesto, el PC puede adoptar un papel híbrido, que lo mantiene como un elemento más dentro de estas estructuras de control distribuido al rededor de un bus estándar, mientras actúa como maestro principal de su propia red de tarjetas E/S, que son in corporadas asi a la estructura global. P R O F IB U S (PROcess Fleld B U S, capitulo 15) es un ejemplo de bus de campo pensado para desarrollar arqui tecturas D C S sobre él. Con un estándar normalizado (D IN 19245, partes 1 y 2), P R O F IB U S define las características técnicas y funcionales de un bus de campo serie para interconectar dispositivos digitales distri buidos en planta, desde bajo nivel (sensores/actuadores) hasta niveles inter medios (control de proceso). El sistema contiene maestros y es clavos. Los primeros son dispositivos capaces de controlar el bus, es decir, transferir mensajes por iniciativa pro pia, sin que exista demanda previa de otro dispositivo. Maestros típicos son los autómatas, los controles numéricos, los ordenadores, etc. Los esclavos son los dispositivos pe riféricos simples, como sensores, ac tuadores y transmisores. No son ca paces de controlar el bus, y pueden sólo recibir mensajes o, bajo demanda del maestro actual, intercambiar datos con él. P R O F1 BU S define completamente los niveles I. 2 y 7 (medio físico, enlace
lógico y aplicación) del modelo de re ferencia O SI («Opcn System Interconnection»), que respetan lodos los dis positivos compatibles. De esta forma. P R O F IB U S interconecta con sus lincas tísicas ( RS-485) hasta 127 estaciones, de las cuales 32 pueden ser Maestros del bus (accesos por paso de Testigo), en una arquitectura totalmente abierta que permite el intercambio de datos entre las estaciones independientemente del nivel que ocupan en la pirámide de au tomatización (figura 17.22). En este marco de enluces abiertos, incluso los autómatas dejan de com portarse como elementos principales del mando local, centralizando en ellos la actividad. Siguen haciéndolo, pero ahora se apoyan, utilizando el bus, en el resto de sensores y actuadores dis tribuidos no directamente conectados a sus entrada/salidas. Para estas apli caciones, el autómata necesita herra mientas de programación y puesta a punto distintas de las habituales con solas de enlace directo con él. Apro vechando las cómodas interfaces desde ordenador, ahora se utilizarán entornos
software que consideran al A P I como un elemento más a programar dentro del bus. Incluso su propio aspecto pue de cambiar: al no ser un interlocutor directo del programador, no necesitará de los recursos anteriores para interfaz con éste (indicadores, interruptores R U N /ST O P, etc.); incluso puede li berarse de la carcasa que lo envuelve hasta adoptar la forma de una simple tarjeta para montaje en fondo de ar mario o concctable en «rack», con in terfaces específicas dedicadas a los pe riféricos usuales (visualizadores. tecla dos de órdenes), o con «drivers» in corporados que permiten el acceso a estos mismos periféricos, pero conec tados no al autómata sino al bus es tándar. La figura 17.23 muestra un ejemplo de esta evolución en los autómatas, el microcontrolador Liltle P L C 'M de Z-World F.ngineering. Este controlador miniatura, montado sobre placa única («on-board PLC »), puede ser integrado en cualquier sistema o maquinaria de planta, y comunicado vía RS-232/485 con un ordenador PC que actúa de
Figura 17.22. Arquitectura abierta PROFIBUS. CONTROL D E PRODUCCION PA SA RELA
S U P F R V IS IO N DE
PLA N TA
MANDO Y R E G U LA C IÓ N
SEN SO R
SENSO R
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DRIVE
SEN SO R
TRANSMISOR ACTUADOR
ACTUAOOR
maestro de la red para programación y control. La programación del autómata se hace en lenguaje C, en un entorno có modo bajo D O S o W indows que per mite el desarrollo, depuración simbó lica. pruebas de funcionamiento (inclu sión de puntos de ruptura, ejecución paso a paso) y generación de ficheros IIF.X para grabación de EP R O M . Con un coste menor que los equi valentes compactos, y programación di recta en alto nivel de los microproce sadores y registros que incorporan, con acceso a toda la potencia de la mi croelectrónica actual, estos microcontroladores sobre taijeta ofrecen eleva das prestaciones para su tamaño y pre cio: - 8/16 entradas/salidas digitales T T L , configurables punto a punto como entrada o salida, - entradas configurables para actuar como interrupción o entrada de conteo de alta frecuencia (mayor de 200 kHz). salidas específicas de alta capaci dad de corriente (400 m A 24 V D C ) para actuación sobre relés o pequeños solenoides, - entradas/salidas analógicas de alta resolución (mayor de 10/12 bits), - fácil expansión de los puntos de entrada/salida, - reloj de tiempo real.
— reloj de guarda y circuito de vi gilancia de tensión, — conexión directa a visualizador y teclado externo, con rutinas de control y acceso incorporadas en el monitor de placa. — canales de com unicación RS232/422/485, etc. Estas características, junto con el ma yor conocimiento de microelectrónica y de lenguajes avanzados de progra mación en las nuevas promociones de técnicos, hacen prever un fuerte de sarrollo del mercado de microautómatas sobre tarjeta, en detrimento de los pequeños compactos incompatibles entre sí programados en lista de ins trucciones o diagrama de contactos. 17.8. A P L IC A C IO N E S PARA LA S U P E R V IS IÓ N Y E L C O N T R O L D E P R O D U C C IÓ N El objetivo principal de la automa tización industrial consiste en gobernar la actividad y la evolución de los pro cesos sin intervención continua del operador humano. En procesos de fabricación rígidos, de poca variación en el tiempo, o de carácter autónomo, sin interdependen cias con otros tratamientos anteriores o posteriores de los productos, este ob jetivo se cumple programando sobre los controles locales de planta las secuen
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cias de control deseadas y cerrando los lazos de regulación necesarios para mantener los valores de variables en los rangos fijados por las consignas. Desgraciadamente, la mayor parte de procesos industriales no cumplen aque llas condiciones, sino más bien las con trarias: han de ser flexibles, para adaptar la fabricación a la demanda de forma continua, y están firmemente /tu errehnionados entre sí. por exigencias de factores no sólo específicos de la pro ducción, como la coordinación de las acciones o la continuidad del suminis tro en fabricación serie, sino también por otros hasta hace poco ajenos a la producción, como la minimización de costes de «stocks», la calidad integral del producto y el impacto sobre el me dio ambiente. Estas necesidades obligan a disponer de sistemas automatizados de control de procesos industriales con un alto grado de complejidad y autonomía de funcionamiento, y funciones adiciona les a las básicas de ejecución de tareas y monitorización del proceso. Aspectos como la toma (automatizada) de de cisiones, la gestión de los menús de producción, la generación de históri cos, gestión de alarmas, etc., así como los ya discutidos referentes al control de calidad y mantenimiento, quedan cubiertos en los niveles de control de producción y supervisión de planta del modelo jerárquico de automatización (figura 16.3). Las funciones asociadas a estos ni veles necesitan como requisitos im prescindibles el conocimiento de la rea lidad de la planta y la capacidad de ¡nteractuación sobre ella. Los sistemas de interfaz entre usua rio y planta basados en paneles de con trol repletos de indicadores luminosos, instrumentos de medida y pulsadores e interruptores cableados de forma rí gida y con elevados costes de instala ción y mantenimiento, que cubrían tra dicionalmente estas necesidades, están siendo sustituidos por sistemas digita les que utilizan la informática industrial para implcmenlar el panel sobre la pan talla de un ordenador. Con una su pervisión inteligente, que permite al operario interactuar con el proceso de forma dinámica, apoyándose en facto res como la capacidad de almacena miento y proceso del ordenador y su
facilidad de comunicación con los con troladores de planta, el aperador co noce inmediatamente cualquier varia ción significativa del proceso mientras observa su evolución a lo largo del tiempo y sus probables tendencias (fi gura 17.24). En un sistema típico, el control di recto de planta es realizado entonces por los controladores autónomos di gitales y/o autómatas programables, mientras que el ordenador, conectado con ellos, realiza las (unciones de diá logo con el operador, tratamiento de la información del proceso y control de producción. En esta estructura, el or denador no actúa directamente sobre la planta, sino que se limita a la su pervisión y control de los elementos de regulación locales instalados en ella, además de procesar y presentar la in formación. Eventualmente, podría tam bién ejercer acciones directas de con
trol (lectura de sensores, activación/ desactivación de actuadores) por medio de un hardware adicional conectado a sus buses internos (ver apartado 17.5), aunque no es ésta la opción más Ire cuente. El ordenador u ordenadores se apo yan en la estructura de dispositivos lo cales, uniéndose a ellos mediante li neas de interconexión digital (buses de campo, redes locales) por donde recoge información sobre la evolución del pro ceso (adquisición de dalos), y envía las órdenes o comandos para el gobierno del mismo (control de producción): arranque, parada, cambios de produc ción, etc. Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que nece siten, se denominan en general siste mas S C A D A («Supervisory Control And Data Acquisition»). Estos paquetes están ya en disposi
ción de ofrecer unas prestaciones im pensables hace una década: - posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una pa rada o situación de alarma, con registro de incidencias. - generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volca dos para su proceso sobre una hoja de cálculo, - creación de informes («reports»), avisos y documentación en ge neral, - ejecución de programas, que mo difican la ley de control, o incluso el programa total sobre el autó mata, bajo ciertas condiciones, - posibilidad de programación nu mérica. que permite realizar cál culos aritméticos de elevada re solución sobre la C P U del orde nador, y no sobre la del autómata, menos especializado, etc. Con ellas, se pueden desarrollar apli caciones basadas en el PC, con captura de datos, análisis de señales, presen taciones en pantalla, envío de resulta dos a disco o impresora, control de acluadores, etc. Los paquetes S C A D A suelen estar formados por dos programas: Editor \ Ejecutor («Run Time»). Con el pri mero se generan las aplicaciones des critas, aprovechando los editores, macros, lenguajes y ayudas disponibles, > con el segundo se compilan para ob tener el fichero E X E de ejecución con tinua tras la puesta en tensión o el arranque. 17.8.1. SCADA Después de la introducción anterior, puede ya definirse un sistema S C A D \ como una aplicación software especial mente diseñada para funcionar sobre <»denudares de control de producción. cor acceso a la planta mediante comuni cación digital con los reguladores lo cales básicos, e interfaz con usuario mediante interfaces gráficas de alto ni vel: pantallas táctiles, ratones o cur sores. lápices ópticos, etc. El sistema permite comunicarse cor los dispositivos de campo (controla dores autónomos, autómatas progra-
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mables. sistemas de dosificación, etc.) para controlar el proceso en forma au tomática desde la pantalla del orde nador, que es configurada por el usua rio y puede ser modificada con facili dad. Además, provee de toda la infor mación que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supe riores dentro de la empresa: supervi sión, control de calidad, ingeniería y mantenimiento, etc. Un SC 'A D A debe cumplir varios ob jetivos para que su instalación sea per fectamente aprovechada: — Deben ser sistemas de arquitec turas abiertas, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. Deben comunicarse con total fa cilidad y de forma transparente para el usuario con el equipo de planta («drivers» de comunicación con A P I. PID , C N , etc.) y con el resto de la empresa (acceso a re des locales y de gestión). - Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias hard. y fáciles de utilizar, con in terfaces amables con el usuario (sonido, imágenes, pantallas tác tiles,...). Con estos requisitos, el S C A D A se convierte en una herramienta esencial para organizar el proceso productivo, perm itiendo establecer estrategias avanzadas de gestión con respuestas in mediatas de la producción. Además, la aplicación constituye por si misma una excelente herramienta de integración entre los diferentes departamentos in volucrados en la fabricación, desde pro ducción a gestión pasando por calidad, mantenimiento, ingenierías, etc. Se utilizan normalmente ordenado res convencionales como soporte hard ware de los programas S C A D A . desde miniordenadores PC hasta estaciones de trabajo, e incluso ordenadores per sonales de sobremesa con alguna pro tección adicional para ambientes in dustriales (por ejemplo, un armario de protección). Aunque pueden emplearse arquitecturas basadas en ordenador PC con sistema operativo DOS/Windows y paquetes de software que incluyen funcionalidades (interrupciones, co
municación en red, etc.) para mejorar sus prestaciones, la disponibilidad de máquinas con sistemas operativos más completos (V A X / V M S . Unix, W in dows NT....) y arquitecturas cliente-ser vidor que comparten recursos infor máticos (aplicaciones y datos), permite ofertar programas que atienden varios servicios a la vez. Asi. un operador pue de estar monilorizando la situación en la planta desde un terminal PC, otro viendo informes de incidencias desde un ordenador industrial con sistema operativo Unix o modificando la evo lución del proceso desde una estación de trabajo, etc. Para muy grandes apli caciones se utilizan estas arquitecturas cliente-servidor para distribuir los datos procesados entre diferentes ordenado res y así reducir la carga de cada uno de ellos. Por ejemplo, podrían estable cerse nudos separados que actuarían como servidores para la demanda de tareas como comunicación con los dis positivos F./S de campo, monitoriza ción y procesado de alarmas, registro y acumulación de dalos para históricos del proceso y análisis de tendencias, sincronización de las transferencias en tre nodos, etc. Kn la elección del sistema, un factor clave a considerar es la capacidad del sistema operativo sobre el que corre la aplicación para soportar multitarea y/o multiusuario. Con la función multita rea el sistema ha de ser capaz de aten der al-operador a la vez que. por ejem plo, monitoriza las variables del pro ceso. permitiendo un control más cer cano al tiempo real. La capacidad mul tiusuario es de utilidad en aplicaciones complejas, cuando se desea disponer de puntos separados con funciones es pecíficas en cada uno de ellos. Estos sistemas se articulan generalmente a través de redes de área local. En la actualidad sigue siendo mayoritario el empleo de equipos basados en ordenadores personales IB M PC o compatibles para aplicaciones de media y baja complejidad, con una C P U tanto más potente cuanto más críticos sean los tiempos de respuesta necesarios, y configuraciones tanto más robustas cuanto más duras sean las condiciones ambientales de aplicación. Pese a sus problemas para manejar distintos ni veles de prioridad en las interrupcio nes, en la atención de alarmas y en el
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control en tiempo real cuando inter vienen simultáneamente las comuni caciones, Windows se mantiene como el sistema operativo típico de soporto, con un paquete software S C A D A que corre sobre él en multitarea y rnonousuario. Windows aprovecha las ventajas que ofrece un entorno familiar multi tarea, con intercambio de datos entre aplicaciones muy sencillo (D D E , O L E ), potente interfaz de usuario (G U I) y otras características de sistema abierto que le permiten ir incorporando con fa cilidad los nuevos desarrollos en soft ware de interfaz audiovisual o multi media. La comunicación con los elementos de campo se lleva a cabo mediante in terfaces serie estándar, tipo RS-232. RS422 o RS-485, utilizando los protocolos adecuados incluidos en el propio S C A DA. De hecho, el desconocimiento del protocolo de un determinado equipo, o su no compatibilidad con los están dares aceptados (ver buses de campo), puede impedir su conexión al super visor S C A D A , lo que condiciona la elección de uno u otro. Otro dato importante a considerar es la cantidad de sinópticos (pantallas grá ficas de representación) que el sistema puede soportar, asi como el número máximo de variables que manipula. Es tos dos datos dan una idea de la in formación máxima que puede incluirse en una aplicación. También son factores a considerar la capacidad de intercambio de datos con otros programas o entornos, como Lotus-123 o dBase, para integrar las fun ciones de éstos dentro de la aplicación (cálculos estadísticos, presentaciones, etc.), y la posibilidad de programación de Tunciones complejas mediante la in clusión en el S C A D A de rutinas y fi cheros escritos en lenguajes de uso ge neral. como C o Pascal.
17.8.2. Estructura de un paquete SCAD A Como en la mayor parte de aplica ciones informáticas, en la selección de un paquete S C A D A caben distinguir dos posibilidades: — Desarrollo de un software comple tamente orientado (eventualmente.
incluso un hardware) a una apli cación especifica. Encargado a empresas especia lizadas, éstas desarrollan todas las Funcionalidades que desea el cliente: pantallas, sinópticos, se ñales de control, históricos, etc., son programados y compilados en una aplicación cerrada totalmente a medida. Tiene la ventaja de que el producto responde a las espe cificaciones exactas del usuario, y el inconveniente de la dependen cia de éste con el programador, amén de la dificultad de conseguir tos protocolos de comunicación con los elementos de campo ins talados o futuros. - Empleo de un paquete comercial que el usuario debe sólo parametrizar para su aplicación. En este caso, el usuario se apo ya en los editores gráficos y fun cionales y en los «drivers» de co municación preeonfigurados que le suministra el proveedor para desarrollar su aplicación. Para ello, dibuja los fondos de pantalla (si nópticos de planta) e indica las va riables y textos (tipo, forma, po sición) que desea visualizar, de fine las relaciones (operaciones aritmético-lógicas) entre variables, configura las comunicaciones para su sistema particular, etc.; en de finitiva, parametriza el paquete se gún sus necesidades, si bien éste continúa estando abierto a cual quier modificación o ampliación hasta donde permitan sus posibi lidades o la licencia del fabricante. Por sus ventajas de escalabilidad, Tiodularidad y autonomía, esta última solución resulta mucho más frecuente m aplicaciones de media y baja com plejidad. En general, tanto si está desarrollado Je una u otra forma, el sistema SCADA cubrirá tres funciones: — Adquisición de datos, para reco ger, procesar y almacenar la in formación recibida, — Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las va riables del proceso. — Control, para modificar la evolu ción del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos
básicos (consignas, alarmas, menús, etc.), bien directamente sobre el proceso mediante las salidas co nectadas. Los módulos o bloques software que permiten estas actividades de adquisi ción, supervisión y control se discuten a continuación. • Configuración. Permite al usuario de finir cl entorno de trabajo de su SC’AD A , adaptándolo a la aplicación par ticular que desea desarrollar. Dentro del módulo de configuración el usuario define las pantallas gráficas o de texto que va a utilizar, importán dolas desde otra aplicación o generán dolas desde el propio S C A D A . Para ello, éste incorpora un editor gráfico que permite dibujar a nivel de pixel (punto de pantalla) o utilizar elementos estándar disponibles, líneas, circuios textos o figuras, con funciones de edi ción típicas como copiar, mover, bo rrar, etc. (figura 17.25). Dibujadas o seleccionadas las pan tallas se definen las relaciones entre ellas, que determinarán el orden de aparición y el enlace o engarzado entre unas y otras, su accesibilidad a ope rarios generales o particulares, etc. El mantenimiento de las pantallas resulta tarea sencilla dado que cada una lleva asociadas sus propiedades configurables. También durante la configuración se
Figura 17,25. Caja de herramientas para edición gráfica en un SCADA.
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seleccionan los «drivers» de comuni cación que permitirán el enlace con los elementos de campo y la conexión o no en red de estos últimos, se selec ciona el puerto de comunicación sobre el ordenador y los parámetros de la misma, etc. En algunos sistemas es también en la configuración donde se indican las variables que después se van a visua lizar, procesar o controlar, en forma de lista o tabla donde pueden definirse eti quetas o nombres para referirse a ellas y facilitar la programación posterior. • Interfaz gráfico de operador. Propor ciona al operador las funciones de con trol supervisor de planta, mediante una ventana abierta a la misma desde el te clado-monitor del ordenador. El proceso a supervisar se representa mediante sinópticos gráficos almace nados en el ordenador de proceso y ge nerados desde el editor incorporado en el S C A D A o importados desde cual quier otro de uso general (Painlbrush. DrawPerfecl, A u toC A D , etc.) durante la configuración del paquete. Sobre el gráfico se pueden definir diferentes zo nas dinámicas que varían a lo largo de tiempo según los cambios que se van produciendo en la planta. Los sinópticos están formados por un fondo fijo y varias zonas activas que cambian dinámicamente a diferentes formas y colores, según los valores leí dos en la planta o en respuesta a las acciones del operador. Por ejemplo, la pantalla podría configurarse para mos trar tres áreas distintas, que correspon derían al proceso global, imágenes par ciales y zona de asignación de teclas para mando de acciones. Estas venta nas pueden contener, asimismo, valo res numéricos variables o cadenas de caracteres alfanuméricos (textos) fijas o variables según la evolución de planta (figura 17.26). Pueden hacerse algunas considera ciones generales para ayudar al diseño de pantallas: — Las pantallas deben tener aparien cia consistente, con zonas diferen ciadas para mostrar la planta (si nópticos), las botoneras y entradas de mando (control) y las salidas de mensajes del sistema (estados, alarmas).
con el ratón, cursores o directamente en pantalla táctil sobre alguna zona ac tiva. y modificando el estado lógico o valor numérico de la variable definida sobre ella. En ocasiones, el acceso a determinadas acciones de mando está restringido a operarios singulares, que deben activar un código de acceso pre vio antes de modificar la variable.
Figura 17.26. Sinóptico de planta generado por el SCADA InTouch. Cortesía de l.ogitek. — La representación del proceso se realizará preferentem ente me diante sinópticos que se desarro llan de izquierda a derecha, sen tido normal de lectura y obser vación. — La información presentada apa recerá sobre el elemento gráfico que la genera o soporta, y las se ñales de control estarán agrupadas por funciones. — La clasificación por colores ayuda a la comprensión rápida de la in formación, pero un número ex cesivo de ellos puede ocultarla o difuminarla a los ojos del obser vador. — Los colores serán usados de forma consistente en toda la aplicación: si «rojo» significa peligro o alar ma, y verde se percibe como in dicación de normalidad, éste será el significado dado a estos colores en cualquier parte de la aplica ción. — Previendo dificultades en la ob servación del color (baja ilumi nación, brillo excesivo, daltonis mo, etc.), debe añadirse alguna forma de redundancia, sobre todo en los mensajes de alarma y aten ción: textos adicionales, símbolos
gráficos dinámicos, interm iten cias, etc., ayudarán a ello. - Si se utiliza alguna forma de in termitencia, debe limitarse a una parte del sinóptico o símbolo grá fico empleado, sin incluir el men saje propiamente dicho para faci litar su lectura. En procesos complejos pueden de finirse distintas pantallas dentro de la misma aplicación, cada una con sus propios sinópticos, zonas activas y va riables asociadas, que representan dis tintas secuencias o estados del proceso productivo global. El paso de una pan talla a otra se produce por activación/ desactivación de variables, de forma automática según evolución del pro ceso u ordenada por el operador. Cuan do aparecen situaciones anómalas (ad vertencias o alarmas), el sistema, ade más de responder al evento de la forma preprogramada, debe advertir al ope rador para que éste tome las acciones correctoras adicionales necesarias, que pueden incluso serle sugeridas en for ma de textos por el propio S C A D A . El operador puede actuar sobre va riables intermedias en el ordenador o autómata, o variables directas de planta (salidas de autómata), posicionándose
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• Módulo de Proceso. Ejecuta las ac ciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de varia bles leídas. Sobre cada pantalla o zonas sensibles de pantalla pueden programarse rela ciones entre variables del ordenador o del autómata que se ejecutan conti nuamente mientras la pantalla esté ac tiva (figura 17.27). La programación se realiza por intermedio de bloques de programa en alto nivel (Basic, C, etc.), o parametrizando fichas guiadas o macroinstrucciones proporcionadas por el fabricante. Los programas resultantes pueden llevar asociada una plantilla de tiem pos que d efina la fre cu e n cia («sean») de ejecución de los mismos. Es muy frecuente que el sistema S C A D A confie a los dispositivos de campo, principalmente autómatas, el trabajo de control directo de la planta, reservándose para sí las operaciones propias de la supervisión, como el con trol del proceso, análisis de tendencias, generación de históricos, etc. Las relaciones entre variables que constituyen el programa de mando que el S C A D A ejecuta de forma automá tica pueden ser entonces de los tipos siguientes: — Acciones de mando automáticas preprogramadas dependiendo de valores de señales de entrada, sa lida o combinaciones de éstas. — Maniobras o secuencias de accio nes de mando. — Animación de figuras y dibujos, asociando su forma, color, tama ño, etc., al valor actual de tas va riables. — Procedimientos para el arranque o parada de la instalación (en frío, en caliente, condicionado, etc.). — Gestión de recetas, que modifican los parámetros de producción (consignas de tiempo, de conteo, estados de variables, etc.) de for-
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El sistema mantiene un registro de las alarmas ocurridas con el estado ac tual de las mismas, que puede venir codificado por las siguientes opciones:
APLICACIÓN SCADA
Figura 17.27. El módulo de proceso en la aplicación SCADA. ma preprogramada en el tiempo o dinámicamente según la evolu ción de planta. De entre estas acciones son muy im portantes las maniobras y secuencias de mando (comandos), ya que implementan la comunicación hombre-má quina que permite al usuario el control del proceso. En general, la entrada de comandos deberá tener en cuenta ciertas consi deraciones globales: — antes de introducir un valor o cambiar un estado, el usuario debe poder observar el valor o estado anterior de la máquina, junto a un texto explicativo de la función a ordenar, — si el rango numérico o alfanumérico de entrada a un comando está limitado, puede ser conve niente indicar estos rangos en el propio texto explicativo del co mando. Ejemplo, « IN T R O D U Z C A V A L O R T IE M P O <1-10 s ) : ............. si el texto explicativo es demasia-
Un tipo particular de relaciones pro gramadas en el módulo de proceso lo constituye la gestión de alarmas. Pueden definirse márgenes de varia ción sobre las variables que dan lugar a condiciones de alarma (cambios de estado en variables lógicas o rangos en variables numéricas), y las prioridades de atención si aparecen varias simul táneamente. Cuando se produce una alarma, el sistema reacciona en la for ma preprogramada y advierte al ope rador con un mensaje parpadeante o cambios de color o texto sobre la pan talla actual, reforzados o no con señales acústicas adicionales. El operador pue de únicamente darse por enterado, mo dificar alguna variable del proceso o saltar a alguna pantalla auxiliar para ini ciar un proceso especifico de trata miento de alarmas.
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do largo, puede elegirse alguna de estas alternativas: • abrir una ventana especifica para el comando. • generar mensajes giratorios (poco recomendable). • utilizar acrónimos y abreviatu ras..., la planta debe devolver al usuario el valor o estado modificado, a efectos de comprobación («feedback»), cuando de entre las alternativas po sibles en un comando exista una de uso frecuente, debe aparecer por defecto al llamar al comando; el usuario podrá o no modificarla, los comandos de elevada inciden cia en el proceso (detención total, cambios de producción,...) pueden necesitar un código de conlirmación («password») antes de ser aceptados, las paradas de alarma o seguridad deben aparecer claramente identi ficadas, ser de gran tamaño (pre ferentemente, un símbolo gráfico) y estar permanentemente al alcan ce del usuario, desde cualquier pantalla.
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— Alarma activa no reconocida: Está ocurriendo una condición de alar ma y el operador no ha reaccio nado (no ha pulsado el botón de «enterado» o no ha tomado nin guna acción correctora). Alarma activa reconocida: La alar ma está activa pero el operador ya se ha dado por enterado. — Alarma inactiva: Las condiciones que provocaban la alarma han sido corregidas, y ésta ha desaparecido Dentro de este registro general apa recen datos como los instantes de ac tivación y desactivación, el reconoci miento o no por el operador mientras estuvo activa, etc. • Gestión y archivo de datos. Este blo que del S C A D A se encarga del alma cenamiento y procesado ordenado de los datos según formatos inteligibles para periféricos hardware (impresoras, registradores) o software (bases de da tos, hojas de cálculo) del sistema. Pueden seleccionarse datos de planta para ser capturados a intervalos perió dicos, y almacenados con un cierto for mato para su salida posterior por pe riféricos gráficos o alfanuméricos como un registro histórico de actividad, o para ser procesados inmediatamente por al-
gima aplicación software para presen taciones estadísticas, análisis de calidad o mantenimiento. Esto último se con sigue con un intercambio de datos di námico entre el S C A D A y el resto de aplicaciones que corren bajo el mismo sistema operativo. Por ejemplo, el protocolo 1 )I)I; de Windows permite intercambio de datos en tiempo real con las limitaciones pro pias de este sistema operativo. Para ello, el S C A D A actúa como un servidor D D E que carga variables de planta y las deja en memoria para su uso por otras aplicaciones Windows, o las lee en me moria para su propio uso después de haber sido escritas por estas otras apli caciones. lina vez procesados, los datos se pre sentan en forma de gráficas analógicas, histogramas, representación tridimen sional, etc., formando históricos o re súmenes que permiten después anali zar la evolución global del proceso, y Conocer los elementos que influyen so bre él y la intensidad con que lo hacen [por ejemplo, para calidad y manteni miento (figura I7.28| También los datos procesados por el módulo de control pueden ser orde nados por el mismo mientras se van generando, y exportados a ficheros au xiliares desde donde pueden ser lla mados para su proceso posterior por estos módulos de tratamiento de la in formación,
• Comunicaciones. Se encargan de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el S C A D A . y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión. El módulo de comunicaciones con tiene los «drivers» de conexión con el resto de elementos digitales conecta dos, entendiendo el «driver» como un programa (software) que se encarga de la iniciación del enlace, aplicación de los formatos, ordenación de las trans ferencias, etc., en definitiva, de la ges tión del protocolo de comunicación. Estos protocolos pueden ser abiertos (ModBus. FieldBus. Map, etc.), o pro pios de fabricante. En ocasiones, estos últimos pueden necesitar una licencia específica del fabricante antes de ser incluidos en la aplicación. F.l protocolo y los parámetros de la aplicación (puertos, velocidad....) se ac tivan automáticamente durante la con figuración, cuando el usuario elige el fabricante y el modelo de dispositivo E/S de campo: autómatas, reguladores PID . lectores de barras, analizadores, terminales remotos, etc. Adicionalmente, y en los SC'AD A distribuidos en arquitecturas clienteservidor, los módulos de comunicacio nes son también ios responsables del enlace entre los diferentes ordenadores de proceso que soportan la aplicación, enlace probablemente establecido so
bre una red local D ECnct, TC'P/IP. M A P /T O P. Novell, etc. Bajo Windows, los módulos NelD D F incorporan todas las ventajas de los protocolos D D E al mundo de las redes. Soportados por diferentes siste mas operativos y sin necesidad de ser vidores, establecen conexiones punto j punto que permiten la conectividad del software entre aplicaciones que corren sobre diferentes plataformas estándar de mercado (figura 17.29).
17.9. A P L IC A C IO N E S PARA LA G E S T IÓ N D E LA IN F O R M A C IÓ N DF. P L A Ñ I A Las exigencias crecientes de competitividad. asi como las posibilidades de automatización que ofrecen los nue vos soportes informáticos y las comu nicaciones industriales, han propiciado la aparición de productos software de dicados no ya al control de la planta, sino a la gestión de los datos generados en ella, tanto para cubrir elementales necesidades de monitorización y regis tro, como para más avanzadas de con trol de calidad y mantenimiento. Estas necesidades se soportan más fácilmente si se apoyan en medios in formáticos que capturen, organicen y presenten los datos de la forma más apropiada posible. Ello presupone la separación de los
Figura I7.2H. Presentaciones gráficas de un SC'ADA para Windows: a) histórico generado por el SCADA: b) diagrama de barras generado por unu aplicación paralela con intercambio de datos DDF.
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I Figura 17.29. Arquitectura Je enlaces multipunta can protocolos NctDDF. conceptos de informática como medio de mejora del proceso productivo (in formática de control de planta) y como medio de gestión de la información de planta para la extracción de conclusio nes (informática de gestión de planta). La informática de gestión de planta se caracteriza, frente a la de control de producción o regulación, por: — manejar grandes cantidades de da tos., muchas veces redundantes desde el punto de vista del con trol, — permitir tiempos de respuesta va rias órdenes superiores a los usua les en control de planta del orden de milisegundos.
Todos los requisitos enumerados de automatización, interconectabilidad, rapidez de respuesta y capacidad de gestión sólo pueden ser simultánea mente atendidos por un equipo auto mático de captura de datos y trata miento numérico de la información, es decir, un Sistema de Adquisición de Datos (S A D ) más un software dedi cado. De acuerdo con las características de
— tarjetas de adquisición de datos unidas al bus sistema del orde nador, — instrumentos de medida bajo bus estándar de instrumentación, — terminales de datos («Dataloggers»). Además de las anteriores, pueden servir también para la captura de datos las estructuras típicas de producción: las entradas/salidas distribuidas, los bu ses de campo de sensores y actuadores, autómata o red de autómatas unidos vía serie al ordenador, etc. Estas últim as soluciones (figura 17.30), aprovechan la misma disposi ción física de las conexiones de mando y regulación para la adquisición de da tos, que se recogen desde las propias variables de producción, o utilizando sensores adicionales específicos para el control de medidas, temperaturas, es pesores, pesos, presiones,... La principal ventaja de esta dispo sición consiste en la reducción de cos tes obtenida al aprovechar infraestruc turas comunes para las tareas de pro ducción y medida, y su principal in conveniente el reducido número de se-
Figura ¡7.30, Captura de datos de producción aprovechando la red de mando.
La aplicación de gestión estará so portada por una parte hardware, que se encarga de la captura de los datos, y otra software, que se encarga de su ma nipulación para almacenamiento o pre sentación. El hardware deberá ser abierto, para permitir su fácil ampliación o modifi cación. de funcionamiento autónomo, aun en el caso de centenares de señales capturadas, y no debe introducir retar dos inaceptables desde la captura de la señal hasta su entrada en el procesador. Por su parte, el software debe ser in tuitivo y configurable, e incorporar unas u otras funciones de tratamiento y ges tión de los datos, según la aplicación deseada.
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nales adicionales que puede soportar un A P I seleccionado para una produc ción específica. Si éste se sohrcdimcnsirna para añadirle F./S para medida, la relación coste hardware/variable medi la se hace insostenible frente a otras al.ernativas disponibles. Fil empleo de terminales de datos abarata el coste por variable medida, pero obliga al almacenamiento inter medio de los datos antes de los vol cados periódicos al ordenador, intro duciendo retardos importantes en el tiempo de respuesta. La alternativa tradicional, de tarjetas de adquisición de datos conectadas en «racks» remotos unidos a un ordenador central, facilita la integración de todas las medidas y la obtención de resul tados globales, pero concentra la pre sentación en un solo punto y dificulta la toma de decisiones en el operador de planta, que no conoce las desvia ciones producidas y no recibe órdenes de corrección. El problema se soslaya introduciendo puntos de intervención —terminales de operador- distribuidos, que advierten al operario de las co rrecciones que debe realizar en su área de trabajo, a partir de sus propios datos locales y de los datos globales proce sados por un ordenador maestro. Esta solución, que se alcanza com binando la abundante oferta de tarjetas de adquisición de datos con la caída de precios de las estaciones de trabajo y terminales de operador basados en PC. se muestra esquemáticamente en la fi gura 17.31. Sobre ella, el software de gestión se estructurará en dos niveles: A pie de planta, tratamiento rá pido de la información, compa ración con cotas preestablecidas, salida de mensajes de error y pro puestas de actuación, y generación de resúmenes con preproceso de datos para enviar al nivel superior. En la unidad central de control, obtención de gráficos de produc ción, estudios de capacidad y ges tión del mantenimiento predictivo. En cualquier caso, los diferentes controles establecidos deben estar ¡nterconectados entre si y con el depar tam ento correspondiente (calidad.
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Captura de datos de producción con red especifica de medida.
mantenimiento, almacén,...) y, eventualmentc, la información resultante deberá poder utilizarse en otras áreas, como producción o diseño. F.l software instalado ejecutará un tratamiento informático sobre los datos para entregar resultados interpretables por el operador: gráficos, evoluciones temporales, análisis de tendencias, etc., según la aplicación. Es más frecuente el empleo de pa quetes comerciales soportados por sis temas operativos DO S, y sobre todo Windows, instalados sobre plataformas mayoritariumente compatibles PC en cabezando una red de adquisición de datos, que la alternativa opcional del desarrollo propio. Herramientas típicas de gestión de datos de planta son los entornos soft ware para el control de la calidad y el mantenimiento.
17.9.1. Software para el control de calidad Aunque el control de calidad y el análisis estadístico de la producción son prácticas comunes en los procesos in dustriales, la popularización de las nor mas ISO 9000. las auditorías de calidad de fabricantes a proveedores y la ge neralización del suministro bajo calidad concertada están obligando a automa
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tizar los procesos mediante sistemas in formáticos dedicados. El objetivo esencial de cualquier sis tema de control de calidad en produc ción consiste en determinar las desvia ciones que aparezcan en las piezas pro ducidas sobre sus valores estándar pre fijados, y en reportar las actuaciones necesarias para su inmediata correc ción. Por consiguiente, el sistema debe ob servar continuamente la producción so bre todas y cada una de las piezas que componen el producto, con recogida de datos a pie de máquina y tratamiento estadístico de la información, genera ción de resúmenes y entrega al ope rador responsable de las órdenes de ac tuación necesarias con el menor retar do posible. Para ello, y una vez adquiridos los datos mediante alguna de las solucio nes comentadas en el apartado ante rior, el control estadístico del proceso separa las variaciones debidas a causas comunes o inherentes al proceso, y por tanto corregibles, de las desviaciones esporádicas de carácter puntual, y por tanto imprevisibles. En el primer caso, el sistema de con trol de calidad reacciona entregando las pautas de corrección necesarias, y en el segundo rechazando sin más la pieza. La herramienta esencial para desa
rrollar el estudio será una aplicación software, denominada software de con trol de la calidad, que. una ve/ fijado el plan maestro de control de calidad, determinado el tamaño de la muestra y fijadas las frecuencias de las mismas, debe generar presentaciones en forma de grn/icos de control y estudios de capoeidod. Los primeros calculan y presentan datos como medias, rangos y desvia ciones de la muestra en medidas ana lógicas (control estadístico de varia bles), c individuos defectuosos, defec tos por unidad de inspección y pro porciones en medidas digitales (control estadístico de atributos). Los estudios de capacidad comparan las variaciones permitidas en el diseño con las reales obtenidas en el proceso de producción, tanto en forma local, referidas a una máquina y en un corto periodo de tiempo (capacidad de la má quina). como en forma global, referidas al conjunto del proceso durante largos periodos de tiempo (capacidad del pro ceso), donde intervienen factores como diversidad del material, cambios en la mano de obra, etc. Los resultados obtenidos entregan una medida de la adecuación del pro ceso de manufacturación y de la ma quinaria instalada a los objetivos de ca lidad fijados. Además del control de calidad des crito, el entorno software puede incluir también un apartado de gestión de ca lidad, con funciones como [12]: - calidad de proveedores: audito rías, registros de recepción, infor mes,... calidad de fabricación y suminis tro a clientes: planes de control, homologación, análisis modal de fa llo s y e fe c to s p o te n c ia le s (A M F E ), hojas de registro,.,. - análisis de tendencias: generación de históricos que relacionen los datos medidos y defectos obser vados con proveedor, máquina, herramienta, operario, etc., para comparaciones a largo plazo, y - cálculo de costes de no calidad, clasificados por conceptos. Funcionando mayoritariamente bajo sistemas operativos D O S y Windows, los paquetes de control y gestión de
calidad pueden incluir otras funciones que los complementan y facilitan su integración en la planta, como ] 13]; Adquisición automática de las medidas, aun las realizadas por instrumentos de control distintos. Establecimiento de los limites tic desviación permitidos, con gene ración de avisos y alarmas si se produce el error. - Edición de ficheros modillcables de asignación de posibles causas de defectos observados y acciones a adoptar. Exportación de resultados a fiche ros compatibles con otras aplica ciones, para permitir el uso de los mismos por otras áreas y progra mas. El sistema de calidad descrito, con sus módulos de control y gestión, pue de estar integrado en entornos globales de gestión de la producción, con mó dulos adicionales de gestión comercial, de materiales, de control de almacén,... Como en toda aplicación informáti ca, es posible encargar y desarrollar un software especifico que contenga estas funciones, aunque ya existen en el mercado paquetes estándar sobrada mente comprobados, disponibles para sistemas operativos DOS, Windows, Q N X , Unix, etc. 17.9.2. Software para el mantenimiento Se entiende por m antenim ien to (C O D E E , Organización para la Coo peración y el Desarrollo Económico, 1963) la función empresarial a la que se confia el control constante de las ins talaciones, así como el conjunto de tra bajos de reparación, y revisión necesa rios para garantizar el funcionamiento regular y el buen estado de las insta laciones productivas, servicios c instru mentación de los establecimientos. Esta declaración define el manteni miento como la realización de un ser vicio en favor de la producción, con unos costes directos en función de los medios materiales y humanos emplea dos, y otros costes indirectos en base a la pérdida de producción por tiempo de paro. Históricamente, el mantenimiento pasa por varias etapas.
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Las primeras actuaciones se referían únicamente a reparación, existiendo s ó lo mantenimiento co n ectivo, el servi cio de mantenimiento intervenía cuan do la avería ya se había producido. Para reducir la incidencia de las pa radas por reparación sobre el proceso, se desarrolló después el mantenimiento preventivo: se siguen en él unas paulas establecidas y periódicas de revisión \ sustitución de piezas y equipos De esta forma, los tiempos de parada y la in cidencia sobre el proceso pueden ser controlados a priori. Con la acumulación de datos sobre la historia del proceso y la disponibi lidad de los umbrales de seguridad de los equipos, almacenados y organiza dos ya bajo soporte informático, es po sible espaciar las acciones de mante nimiento preventivo estableciendo e1 tiempo que falta para la próxima averia, y el lugar donde se producirá ésta: es el llamado mantenimiento predictivo Con él, se reduce el nivel de sobremantenimiento inherente a la acción sincopada, rígida y periódica del man tenimiento preventivo, y se limitan f l uctuaciones al tiempo y lugar indicad' por la predicción. Como cualquier otra actividad de di rección. el mantenimiento necesita preveer, organizar, mandar, coordinar • controlar ] 14), con los objetivos gene rales siguientes: — Planificar los trabajos, realizando los «plannings» de intervención c informando de los medios nece sarios para ella. — Reducir los stocks de recambios agilizando el refresco de éstos. — Conocer las intervenciones hechas en cada máquina, y agruparlas erfunción del tipo de máquina, ave ria, piezas sustituidas, etc. Conocer los ratios de productivi dad. relacionando tiempo de ma quina en funcionamiento/tiempo de máquina parada. — Conocer las horas/hombre utili zadas en las reparaciones, y ajus tar con ellas las plantillas del de partamento. Realizar un seguimiento de la in versión en aparatos o equipa miento del departamento. — Pasar a fabricación información de costes de mantenimiento por má-
quina, para el ajuste óptimo de producción de la misma, organi zando el preventivo y reduciendo el predictivo. Estas actuaciones se realizan de for ma más eficaz si los datos se organizan y presentan de una forma más razo nable que su simple exposición se cuencial, y es en este punto donde in terviene el llamado software para man tenimiento, que ordena la información, realiza cálculos estadísticos, genera lis tados por impresora en el formato ade cuado, etc. Funciones de estos entornos soft ware para el mantenimiento serían en tonces las siguientes: - Generales • generación de hojas de trabajo. • control de operarios y materia les, • análisis de carga de mano de obra. • determinación y seguimiento de stocks de consumibles y recam bios, • cálculo de costes de manteni miento, • generación de históricos de ac tuaciones. - Mantenimiento preventivo • generación de órdenes de ac tuación. • generación de reservas de ma teriales, - Mantenimiento predictivo • establecimiento de los umbra les de seguridad, • análisis de vibraciones, termografía, refrigerantes, • análisis de tendencias. • generación automática de pro puestas de revisión. Mantenimiento de la instrumen tación • registro de instrumentos y es pecificaciones, • diario de calibraciones, • análisis de repetibilidad y reproduclibilidad, • cálculos de incertidumbre en las medidas. F.stos entornos tienen interfaces ami gables, con presentaciones en ventanas ¡cónicas e introducción guiada de dalos (figura 17.32), y son siempre flexibles.
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Figura 17.32. Hoja de trabaja generada por el software de mantenimiento OesMan. de MCR. para incorporar las condiciones parti culares de cada empresa: instalaciones, máquinas, piezas y operaciones son de finidas por el usuario. Los programas comerciales de man tenimiento disponibles pueden ser au tónomos o estar integrados en entor nos más completos. Incluir, por ejem plo, en el mismo paquete la gestión de la calidad y el mantenimiento es una opción muy frecuente. Incluso se en cuentran disponibles entornos globales de gestión, con módulos de calidad, mantenimiento, comercial, materiales y producción.
17.10. RESUMEN Los PC se han convertido en exce lentes equipos industriales: a sus ca pacidades típicas, a saber, facilidad de interfaz con usuario, capacidad de al macenamiento de datos, gran potencia y velocidad de procesado y uso de com ponentes y subsistemas estándar abun dantes y de bajo precio, se suman aho ra otras específicas para empleo indus trial: construcción mecánica y eléctri camente robusta, facilidades para ex pansión y acceso, mejora de los siste mas operativos con inclusión de ca pacidades multitarea, multiusuario y
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respuestas en tiempo real, oferta de software de aplicación especifico de marca o generado desde pequeñas in genierías de desarrollo, etc. Todas estas cualidades, en conjunto, han permitido la penetración del PC en nuevos cam pos de aplicación industrial, además de los típicos de adquisición de datos y gestión comercial (contabilidad, factu ración, «stocks»,...). En primer lugar, como elemento de programación, el PC sustituye a los equipos específicos de cada fabricante, que obligaban al usuario a realizar cos tosas inversiones en sistemas de pro gramación. Con equipos auténticamen te portátiles, pesos inferiores a 3 o 4 kg y prestaciones idénticas a los ordena dores de sobremesa, el PC ha propor cionado la posibilidad de disponer de elementos portátiles de campo capaces de realizar todas las funciones de pro gramación y prueba. En segundo lugar, como elemento de diálogo con el operador, pueden en contrarse en el mercado programas (S C A D A ) que permiten convertir un PC en un puesto de monilorización y control de la instalación que, comu nicado con el autómata programable que ejerce de elemento de control, per mite la creación de sinópticos en color de la planta, supervisión del proceso.
modificación de los parámetros de fun cionamiento del proceso, gestión de in formes y emisión de alarmas. fin tercer lugar, com o elem ento maestro de un sistema de adquisición de datos y tratamiento estadístico de la información que busca minimizar el número de unidades defectuosas pro ducidas y aumentar el rendimiento to tal de la producción, el PC puede so portar aplicaciones de gestión de cali dad y mantenimiento de altas presta ciones sobre plataformas de bajo coste. Por último, las nuevas generaciones modulares de PC. capaces de trabajar con sistemas multitarea y multiusuario y de integrar una gran variedad de in terfaces y tarjetas de entrada/salida con absoluta seguridad, permiten realizar aplicaciones con respuestas en tiempo real en regulación, mando y control de procesos, bien aisladamente, bien en combinación con los autómatas de planta, pero actuando éstos como ele mentos locales inteligentes de entra das/salidas, mientras los programas principales de mando, regulación y su pervisión corren sobre el PC. Precisamente, es en estas aplicacio nes de control donde mejor se puede aventurar la posibilidad de disponer de un sistema híbrido compuesto por au tómatas prograrnables y ordenadores personales compartiendo el mismo bus de datos de operación transparente al operador, en un conjunto insuperable para alcanzar el máximo nivel de in terfaz con la planta, interfaz con usua rio. almacenamiento de datos y poten cia de cálculo. En cualquier caso, la fa cilidad de conexión lógica y las capa cidades multitarea de los nuevos sis temas operativos permiten ya definir al PC como puerta de acceso a la infor mación de planta, transfiriendo hacia ella las órdenes de producción y desde ella la historia resultante. En conclusión, y atendiendo a su re lación con el A P I, lema principal de esta obra, los PC pueden desempeñar un doble papel: — Susriiuiivos, como equipo autó nomo en tareas de control, incor porando un programa específico escrito en alto nivel, con posibi lidad de animación gráfica. La in terfaz con la planta se resuelve mediante interfaces F./S digitales.
analógicos o especiales (p, ej.. contadores rápidos), de conexión directa a los buses del sistema o a un bus de campo gestionado por un procesador de comunicacio nes. En estas aplicaciones el A PI no existe: el PC recoge la interfaz con usuario y ejecuta directamen te el control de la planta. Complementarios, conectados al A P I y coexistiendo con él en la aplicación. Estas últimas funcio nes, con mucho las más frecuen tes, pueden a su vez clasificarse según un doble apartado: • interlocución con la planta, ac tuando los PC como meros re ceptores (adquisición de datos) que canalizan la información ha cia niveles de decisión superiores, • supervisión activa sobre la plan ta, modificando tanto la secuencia de control en los autómatas como directamente el estado de algunas variables de salida, según la evo lución del proceso. Dada la diversidad de arquitecturas organizables alrededor de un PC (su pervisión de red de autómatas, control directo de planta, E/S distribuidas, etc.), el usuario final debe determinar con precisión las especificaciones de la ta rea a realizar para cada aplicación. De lo contrario, y dado que los suminis tradores no pueden suplir sus conoci mientos concretos sobre el funciona miento de la empresa, se corre el riesgo de aceptar una solución insuficiente a corto plazo, o una solución que por sus dimensiones y complejidad requiera de un periodo excesivamente largo de im plantación respecto a otras más simples y baratas, sin que ello redunde en una mejora apreciable de la producción o la calidad. Las tendencias más inmediatas acer ca de la utilización de los PC en la planta se orientan hacia la mejora de las interfaces con el usuario con el em pleo de entornos gráficos de alta cali dad, la incorporación de elementos multimedia de audio y vídeo, la mejora de los sistemas operativos para incre mentar las velocidades de respuesta, el empleo de software orientado a objeto, con diálogos conversacionales con pro gramador y usuario, etc., todo ello so portado por un hardware cada vez más
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compacto, fiable, potente, de mayor an cho de bus y más rápido. Con estas prestaciones, y una cre ciente tendencia a la programación de controles industriales mediante siste mas universales basados en represen taciones gráficas de la funcionalidad del proceso (diagramas de llujo de opera ción, cuyo antecedente inmediato es el G R A F C E T ). el PC se convierte en el elemento central del sistema de control ejecutando programas con tiempos de ciclo del orden de milisegundos o me nores (típicos de A P I rápidos), con co nexiones Ethernet con otros nudus de un sistema de control distribuido y con los periféricos industriales: otros orde nadores, pequeños autómatas compac tos. placas inteligentes de E/S, instru mentación y aparatos conectables a bus.
17.11. REFERENCIAS MI S IE M E N S . PC Industrial to s Sistemas Ope rativos Sinopsis Edición 8/90 12) N A T IO N A L IN S T R U M E N T S . Seminario tle LabWíndows/CVI. Reí' 350181A-01 Feb. 1994 |3| L A M A IS O N U R IO S T E , Rafael. El PC In dustrial. Curso de Doctorado ÍIPC -D EE. |4| M E S S M E R . Hans-Petcr The Indispensable PC Hardware Book. Ed. Addison-Wesley 1994. IS B N 0-201-92424-9. |5| E G G E B R E C H T , Lewis C Interfacing to the IB M Personal Computer. Sccond Edition 1990 Ed lloward W Sams and Cnmpanv IS B N 0-672-22722-3. |6| P A L L A S A R E N Y . Ramón Adquisición y distribución de señales. Ed Marcombo. 1993 |7| N A T IO N A L IN S T R U M E N T S , Instrumenta tion Refere nce and Catalogue. Process Moniloring and Control. 1995. |8| E R A U . Joan I Sistemas de Adquisición de Datos Automática e Instrumentación, n 242. pág. 70 Marzo, 1994 |9| M E R C A D É , Joan Instrumentación modular Panorámica del entorno V X I. Mundo Elec tronico, n" 232. pág. 50 Octubre 1992 |10| IN D U S T R IA L C O M P U T E R SOURCT: Mas Icr Source Book. Edition I, 1994 | ll l Digitronics S IX N F T About S IX T R A K SYS T E M . Abril, 1995 |I2| A IZ A . Jordi Software para el Control de la Calidad y el Mantenimiento. Automática e Instrumentación, n’ 250, pág. 64(1 Enero, 1995 |I31 C A M P A N E R A R A D U A . Jaumc. Equipos y Software para control de calidad aulomali zado. Automática e Instrumentación, n 205 pág. 167 Septiembre. 1990. 114| JU B E R A . J. A. Mantenimiento. Gestión c In lormática. Mantenimiento y Electrónica In dustrial, n" 14. pág 13. Septiembre de 1992 115) BU RR-BRO W N , The Handbook o f Personal Computer Instrumentaban. 5J Julio 1990. 116| M A T S U S II IT A A U T O M A T IO N C O N T R O LS E S P A Ñ A S.A P R O G R A M M A B I I C O N T R O L L E R l-PI Technical Man 1992
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18. INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE AUTÓMATAS PROGRAMABLES 18.1. INTRODUCCIÓN Los autómatas programables indus triales (A P I) han sido concebidas como dispositivos destinados al control de sis temas o máquinas, cuyo emplazamiento está previsto que sea a pie de planta, generalmente junto a los elementos de potencia. Por consiguiente, han de ser capaces de soportar las severas condi ciones ambientales y de servicio que suelen encontrarse en el entorno in dustrial. en contraste con otros equipos informáticos, que trabajan en ambientes más controlados, en los que pueden preverse unas menores precauciones de instalación por existir unas condiciones ambientales menos adversas. Sin embargo, no hay que olvidar que el autómata programable también está construido a base de circuitos electró nicos, generalmente microprocesadores y otros circuitos integrados digitales, que trabajan con niveles débiles de se ñal y que, por tanto, toleran mal las perturbaciones eléctricas, los picos de tensión y corriente y otras solicitacio nes anormales de temperatura, hume dad. polvo, etc. Así pues, a pesar de que la mayor parte de fabricantes de autómatas in cluyen protecciones para conseguir la máxima inmunidad y seguridad de fun cionamiento en sus equipos, hay unas reglas mínimas que deben preverse y respetarse en la instalación de los mis mos, para poder garantizar la seguridad y fiabilidad de la instalación. En este capitulo estudiaremos pre cisamente los diversos aspectos que de ben tenerse en cuenta para obtener el máximo rendimiento de un sistema de control basado en autómata progra mable. A lo largo del capitulo y para cada uno de los aspectos estudiados, hablaremos siempre de tres fases en la vida del automatismo:
— Fase de proyecto. — Fase de instalación. — Pase de explotación. En cada una de estas fases deben res petarse una serie de reglas, que final mente proporcionarán un funciona miento satisfactorio, con un mínimo de averias y un máximo de seguridad
18.2. FASE DE PROYECTO CON API Es muy importante tener consciencia de que la fase de proyecto condiciona enteramente las prestaciones futuras de un sistema de control. Todo aquello que no sea previsto en la fase de pro yecto tendrá después un coste superior y, además, el número de soluciones técnicamente posibles se reduce a me dida que se avanza en la ejecución de un automatismo. Esta afirmación se plasma perfectamente en una máxima que suele oírse entre el personal téc nico que dice: «U n problema en el pro yecto es un problema, un problema descubierto en la fase de construcción
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o verificación son dos problemas, un problema descubierto durante la puesta en marcha son tres problemas, pero un problema en la fase de explotación son diez problemas». Esta idea es genérica para cualquier aspecto de diseño que consideremos y, en particular, está plasmada en la figura 18.1, para el caso de diseño de automatismos. (La figura está extraída conceptualmente de la re ferencia |l].) La tabla 18.1 da una indicación de las distintas fases del proyecto y de las dis tintas tareas a efectuar en cada fase. Para aplicaciones simples puede pen sarse en el empleo de autómatas com pactos. de poca complejidad. Este es un producto que podemos considerar casi de consumo y cualquiera de los dis ponibles en el mercado podrá posible mente ofrecer una solución adecuada. Aun asi debe proyectarse adecuada mente su integración en el conjunto del automatismo. Por otro lado, las apli caciones más complejas, con exigencias estrictas de precisión, velocidad de res puesta y necesidad de cálculos, requie ren un estudio técnico a fondo y ge-
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AN TEPRO YEC TO
I A R EA S A D E S A R R O L L A R
Estudio del proceso o máquina a controlar - Definir la parle operativa de la planta (obra civil, partes mecánicas, etc.) - Especificación de los accionamientos - Especificación de la parte de mando - G R A F C E T del proceso a nivel global - Prever condiciones de funcionamiento (cargas, precisiones, condiciones de entorno, posibles ampliaciones, etc.) Prever todas las formas de marcha y paro tanto en funcionamiento normal como en condiciones de alarma o fallo del proceso (confeccionar el G F .M M A )
PR O Y E C T O D E LA PA R T E O P E R A T IV A
Proyecto de la planta propiamente dicha - Elección de accionamientos - Proyecto de enlace del proceso con otras partes relacionadas
PR O Y EC T O DE EA PA R T E DE M ANDO
G R A F C E T de detalle del proceso + accionomíenlos — Elección de los sensores y elementos de mando
equipos que generan perturbaciones electromagnéticas, etc,). • Elección de las tensiones de alimen tación de las interfaces de entrada/ salida según el nivel de seguridad exigido, la distancia de cubicado y el nivel de perturbaciones electromag néticas en el ambiente. • Análisis de las funciones que deben ser encomendadas al autómata y de aquellas que deben realizarse con dispositivos de maniobra separados, por razones de seguridad, redundan cia o fiabilidad. Asi, por ejemplo, no es prudente que el paro en cicrlas condiciones de emergencia dependa totalmente del autómata. Es mejor disponer de un sistema convencio nal, si es preciso redundante, como seguridad última. • Necesidades de fuente de alimenta ción. tanto para la unidad central como para las entradas/salidas.
disponibles para el operador Proyecto de las seguridades — Revisión del G E M M A del proceso — Estudio de necesidades de comunicación con otros automatismos y con el operador — Planteo de distintas soluciones posibles y estudio comparativo atendiendo a las especificaciones funcionales y de entorno — Elección de sensores, bloques de control y drivers para los accionamientos Determinación del número y tipo de E/S — E L E C C IÓ N D E L A U T Ó M A T A — Asignación de entradas y salidas a sensores ac cionamientos — Esbozo del programa — Elaboración de documentación y pliego de con diciones de instalación
Tahla 18.1. Fases del proyecta can autómatas pmuramahlcs. neralmentc habrá que recurrir a gran des autómatas, a redes o a soluciones mixtas autómata-ordenador. En el pri mer caso (autómatas de gama baja) cu alq u ier técnico-com ercial puede aconsejar una solución, pero en el se gundo no es prudente dejarse influir demasiado por los aspectos comercia les. La solución debe proponerla un técnico tomando en consideración una serie de aspectos, tales como: • Conocimiento exhaustivo de la plan ta (incluyendo las partes eléctrica.
mecánica, hidráulica o neumática, térmica, etc,). • Prestaciones deseadas y capacidad de distintos sistemas de control para ob tenerlas (sobre todo, velocidad de adquisición de ciertos datos y velo cidad de respuesta en el procesa miento de situaciones criticas). • Previsiones de ampliación. • Condiciones ambientales previstas (polvo, temperatura, humedad, at mósferas corrosivas o explosivas, dis tancias entre controlador y proceso, red de alimentación, proximidad de
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Unas especificaciones claras en cada uno de estos aspectos ayudarán a pro yectar correctamente el equipo y be neficiarán en gran medida al resultadi final. Para ello, los métodos sistemá ticos de diseño estudiados en el capi tulo 2 constituyen una herramienta va liosísima, que nunca debería despre ciarse en aras de la urgencia. Otro as pecto a resallar es que en la fase de proyecto no deberían pesar demasiado las condiciones económicas de compra. Recurriendo una vez mas al refranero cabría decir que: «la prisa es mala con sejera» y «lo barato se paga dos veces» Uno de los aspectos esenciales que deberán decidirse en la fase de pro yecto. basándose en algunos de los cri terios antes indicados, es la configura ción del sistema (control centralizado o distribuido, E/S centralizadas o dis tribuidas, conexión a red, tipo de red. etc.). Esta es una decisión importante que depende casi exclusivamente del número de E/S, de su dispersión o con centración en determinadas zonas y. en ciertos casos, de la velocidad de res puesta deseada. Es esencial que esta fase de proyecto concluya con la elaboración de una do cumentación clara. Se dijo ya que el simple esquema de cableado no indica de forma completa la funcionalidad del equipo basado en un autómata y que hay una cierta tendencia a documentar
V
de forma pobre los proyectos con au tómatas, pensando que el programa lo dice todo, lina documentación defi ciente es la causa de posteriores pro blemas y retrasos innecesarios en la fase de puesta en marcha y, sobre todo, e! motivo de paros prolongados por mantenimiento en la lase de explota ción. En concreto, el proyecto debe con tener una descripción detallada del pro grama y el pliego de condiciones de instalación debe ser exhaustivo e in dicar claramente aspectos como; se paración de los circuitos de alimenta ción de ciertas partes, separación entre cables de señal y cables de potencia, dónde deben utilizarse cables apanta llados, dónde deben conectarse las pan tallas. cómo deben efectuarse las co nexiones a tierra, cómo debe ventilarse el equipo, etc. f l tema de separación de alimenta ciones para distintas partes del auto matismo es esencial para evitar proble mas posteriores de ruido electromag nético. Una buena política de diseño consiste en prever como norma una se paración galvánica entre elementos de campo y unidad central (optoacopladores en las entradas y relés en las sa lidas).
18.3. SELECCIÓN DEL AUTÓMATA Como se ha visto en la tabla 18.1, la elección del autómata forma parte en realidad de la fase de proyecto, pero dado el carácter monográfico de este texto se le dedica un apartado especí fico. En la propia tabla 18.1 se refleja que la decisión acerca del tipo concreto de autómata a emplear no es precisamente de las primeras que deben tomarse al efectuar un proyecto de automatiza ción. Quizás la primera decisión a to mar seria ver hasta qué punto un au tómata puede dar satisfacción a todas nuestras necesidades. Debe valorarse qué tareas se encargan al autómata y cuáles deben realizarse con elementos ajenos por motivos de seguridad o de velocidad de procesamiento. Este tema se discutió ampliamente en los pri meros capítulos, por lo que aquí nos limitaremos a mostrar las posibilidades de elección, que deberán ser basadas
CANTIDAD
I
I
I
C O M P L E JID A D
I L ó g ico | L óg ica com bm acional | L ó g ic a ± cá lc u lo s | co m b in a -| t, I y se c u e n c ia ) ar i^meticos
Figura 1H.2. Criteriov Je elección del autómata según construir. en la complejidad del automatismo y en la cantidad que se tenga previsto fa bricar. E l gráfico de la ligura 18.2 ilustra una vez más este concepto. Por otro lado, no trataremos de es tablecer aquí una comparación entre marcas, puesto que cualquiera de ellas suele ofrecer soluciones que permiten dar respuesta a las necesidades más fre cuentes de automatización. A pesar de ello y respecto al tema marcas, convie ne remarcar dos aspectos básicos: a) Valorar el nivel de soporte téc nico ofrecido por la marca en cada zona. Esto no depende de la marca, sino muchas veces del distribuidor de cada zona. b) Si ya se conocen los autómatas de una marca, no cambiar a menos que las ventajas ofrecidas por otra sean muy claras y sustanciales.
Así pues, el lema de selección del autómata, tal y como lo planteamos en este apartado, se refiere esencialmente a la elección del modelo que mejor per mita satisfacer la lista de necesidades de la parte operativa (parte mecánica, hidráulica, neumática, tipos de accio namientos y sensores, etc.). Los ele mentos que deben sopesarse para efec tuar dicha selección son los que se in dican de forma esquemática en la tabla 18.2.
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/ unción y la cantidad de automatismos a
Cada uno de los conceptos de la ta bla 18.2 se ha ido discutiendo a lo largo del texto, pero cabe aquí resaltar al gunos aspectos de forma puntual. 1) C PU El tipo de C P U es fundamental para conocer la velocidad de respuesta de nuestro sistema de control (tiempo de ejecución, generalmente medido en instrucciones/segundo). La valoración de este concepto condicionará cl tipo de C P U a emplear o incluso nos hará decidir si debemos disponer de alguna C P U especifica para realizar ciertas ta reas. ya sea integrándola en un mismo autómata u optando por la solución de utilizar varios autómatas en red. dedi cados cada uno a una parte del proceso 2) SO FT W A R E No hay que olvidar que el hardware suele fabricarse en grandes cantidades y. por tanto, la relación coste/presta ciones es relativamente baja. No obs tante. el software hay que diseñarlo es pecíficamente para cada aplicación, por lo que el coste de esta partida puede suponer una parte importante del coste total de automatización (aunque se tiende a no valorarlo, debido a que es algo menos tangible que el hardware). Pensando, pues, en la afirmación an terior deberá elegirse un autómata para el cual exista un buen nivel de soporte de programación, lo cual permitirá la
FUNCIONES IJF L AUTOMATA l’KOORAM ABI 1 C O M P L E J ID A D
V O L U M E N Y T IP O DF. S E N S O R E S /
C O N D IC IO N E S A M B IE N T A L E S Y H A B IL ID A D
N E C E S ID A D E S D E E X P L O T A C IO N
A C T U A D O R F .S
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O C P U Y P R O G R A M A C IO N
N U M E R O Y T IP O D E l./S
N U M E R O Y T IP O D E P U E S T O S DF. O P E R A C IÓ N
P R O T E C C IO N E S Y M A N T E N IM IE N T O
E /S lodo-nada E/S analógicas E/S especificas ¿E /S dislrihuidas/Red 1
— ¿Comunicaciones? — Terminales de diálogo — Sinópticos
— Hardware redundanle
— Software de diagnóstico
— Mantenimiento preventivo
• Orientado a objetos
Periferia especial: • Impresoras
Medios de programación; • Consolas
• Terminales allánum. • Terminales TRC'
• PC
• Modems • Radiocontrol
Tipo de C P U ¿M ultitarea? (Varias C P U ) Software: • Bajo nivel • Alto nivel
| * See
• Tipo memoria • Medios almacenamiento.
— Periféricos de explotación
— Alimentación — Protecciones — Software redundante
— Formación de personal
— Alimentación
Tabla IX.2. Elementos que influyen en la elección del autómata.
elaboración de los programas de apli cación con un mínimo coste y esfuerzo. En particular, en las aplicaciones que requieran un tratamiento secuencial complejo, sería deseable disponer de algunas herramientas que permitan la programación directa con diagramas G R A F C E T y en las aplicaciones donde deban manejarse cálculos de cierta complejidad es interesante disponer de un lenguaje de alto nivel que evite te ner que programarlas con las instruc ciones básicas del autómata, que nor malmente tienen una potencia inferior incluso a los lenguajes «assembler» para microprocesador. 3) E/S ) A U M E N T A C IÓ N Las interfaces de entrada y salida, junto con el sistema de alimentación de la C P U y de los propios circuitos de E/S son otra parle fundamental del sis tema automatizado. Se verá más ade lante que la mayor parte de los pro blemas de un autómata durante la fase de explotación son debidos a fallos de robustez de alguna de estas partes. El primer aspecto a considerar es el número de E/S de cada tipo que debe soportar el autómata. Como continua ción de esta primera valoración puede plantearse ya la necesidad o no de E/S distribuidas, de multiplexores u otros medios explicados a lo largo del texto.
Asimismo, aspectos como el tipo de alimentación (C C o C A ), nivel de pro lección. el aislamiento mediante optoacopladores. el tipo de filtrado de las señales y otros similares, pueden re sultar decisivos en la citada fase de ex plotación y deben, por tanto, decidirse cuidadosamente con criterios de coste a largo plazo y no sólo por el coste in mediato de compra. A) PU EST O S D E O PER A C IÓ N Deben conocerse de antemano los deseos del cliente en cuanto a los pa rámetros del proceso que deberá poder visualizar y manipular (temporizadores. contadores, variables numéricas, etc.) y preverse los periféricos necesarios para su correcta manipulación, sin riesgo de alteración del programa. En este aspecto, una advertencia im portante para los diseñadores es que deben pensar en el manipulador final, generalmente un no especialista, para el cual no existen operaciones triviales. Por tanto, no es recomendable que el manipulador deba actuar sobre una consola de programación para alterar ciertos parámetros de funcionamiento. 5) PR O T EC C IO N ES Las protecciones que afecten a la se guridad del personal que manipula el
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proceso (paros de emergencia, errores de manipulación, etc.) y aquellas de las cuales pueda depender la integridad de ciertos dispositivos de elevado coste (protecciones de cortocircuito, inversio nes de sentido de giro peligrosas, etc.) deberán protegerse mediante sistemas redundantes, donde por lo menos una de las protecciones debe tener en cuen ta la eventualidad de fallo o lentitud de respuesta del autómata. 6) S O P O R !E DE M A N T EN IM IEN T O Una vez instalados y depurado el programa, los autómatas ofrecen un elevado grado de fiabilidad. Pero aun asi. al elegir un autómata debe valo rarse la facilidad de test y diagnóstico que éste ofrezca, con vistas a minimizar los posibles problemas en la fase de ex plotación.
18.4. F A S E D E IN S T A L A C IÓ N Como se ha dicho, el autómata suele ser un elemento robusto, pero exige un escrupuloso respeto a unas condiciones minimas de instalación. Muchas veces se escuchan criticas sobre la poca to lerancia a ciertas condiciones ambien tales que ofrecen los equipos electró nicos en general. En electo, los equipos electrónicos exigen mayores cuidados
(Je instalación que los construidos a base de relés, pero superan amplia mente las prestaciones de aquéllos, hasta el punto de que muchas veces no se puede siquiera plantear la alterna tiva. F.l problema de robustez no es tal si se respetan las condiciones de em pleo o incluso si se elige un autómata con la robustez necesaria para la apli cación. Por otro lado, no deben des cartarse las combinaciones de ambos elementos, empleando los relés como elemento de interfaz en aquellos am bientes que exijan una gran robustez eléctrica y condiciones adversas de fun cionamiento y dejando a la electrónica las tareas de control propiamente di cho. Asi pues, en la fase de instalación de un autómata deben seguirse fielmente las especificaciones del fabricante más las propias que establezca el proyecto. De todas formas, los manuales y el pliego de condiciones de un proyecto no lo dicen todo. Por ello, en los apar tados siguientes se dan una serie de re comendaciones de tipo general, que deben seguirse sea cual sea la comple jidad de la instalación y las condiciones ambientales en las que debe funcionar el sistema de control.
18.5. FIJACIONES Y CONDICIONES MECÁNICAS Desde el punto de vista mecánico, la instalación del autómata deberá cum plir las siguientes condiciones: - No estar sometido a vibraciones o choques intensos. - No soportar cargas estáticas o pe sos apoyados sobre su estructura. - No deberá servir de soporte de ca bles u otros elementos de manio bra. No deberá estar sometido a es fuerzos por efecto del cableado. Los conductos o rejillas de ven tilación no deberán estar tapados por cables u otros elementos de maniobra. Asi pues, debe lijarse el autómata en el armario o panel de forma que quede firme y alejado de grandes eoniactores. interruptores u otros dispositivos que puedan producir niveles de vibración fuertes al maniobrar. Hn caso necesario
deberán montarse soportes elásticos que amortigüen dichas vibraciones.
18.6. ESPACIOS DE VENTILACIÓN Deberán guardarse distancias de se guridad entre el autómata y otros ele mentos de maniobra, cableado y/o se ñalización contenidos en el mismo pa nel, de forma que aquél quede alejado de focos de calor y permita una buena ventilación (ver el apartado de condi ciones climáticas) El autómata deberá colocarse, cuundo no existan otras condiciones que lo impidan, en la parle media baja del ar mario de control y nunca encima de transformadores u otros equipos de po tencia que desprendan gran cantidad de calor.
18.7. DISTANCIAS DE SEGURIDAD ELÉCTRICA Desde el punto de vista eléctrico de ben respetarse las distancias entre par tes activas sometidas a tensión para ga rantizar un perfecto nivel de aisla miento entre circuitos separados. Estas distancias de seguridad suelen variar según la norma que se tome como re ferencia, pero sus valores deberían es tar dentro de los márgenes especifica dos en las tablas 18.3 y 18.4. tomados de las normas V D E y C SA-U L. Las normas de IE C y U N E especi fican distancias de aislamiento pareci das a la V D E - 1 10, pero éstas suelen in dicarse para cada tipo de aparato o ins talación. Asi, por ejemplo, U N E 20-314 es general para instalaciones de BT; IEC-255 y U N E 21-136. para relés; U N E 20-400, ÍEC-436, para equipos infor máticos, U N E 20-514, IEC-65, para equipos electrónicos en general, etc.
18.8. CONDICIONES AMBIENTALES La instalación del autómata debe ha cerse teniendo en cuenta las condicio nes de ambiente que éste puede so portar sin riesgo de deterioro o de en vejecimiento acelerado del mismo. Los aspectos más importantes a tener en cuenta son:
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a ) Condiciones climáticas. Los límites de utilización de la mayor parle de equipos electrónicos industriales son los siguientes:
— Temperatura ambiente entre 0 y 40"C (excepcionalmente algunos equipos soportan entre —10 v 55"C. — Humedad relativa inferior al 85 o 90%. Si el nivel de humedad es relativamente elevado, deberán preverse resistencias calefacloras para evitar la condensación y evi tar cambios bruscos de tempe ratura - Evitar la exposición directa al sol del equipo. Cuando el equipo se instale en el interior de un armario, se de berá hacer un cálculo de poten cias disipadas por la totalidad de los dispositivos incluidos en di cho armario (relés, contactores, lámparas, etc.) y deberá preverse la ventilación necesaria para di sipar el calor generado. A título orientativo el caudal de ventila ción necesario puede tomarse de 6 metros cúbicos/m inuto por cada kilovatio de potencia disi pada. b) Polución ambiental. Debe evitarse la instalación del autómata en los si guientes ambientes, estableciendo las medidas correctoras que para ello fueran necesarias:
- Ambientes polvorientos o que contengan partículas metálicas en suspensión. — Atmósferas de gases corrosivos o inflamables. — Ambientes donde exista vapor de agua u otras substancias quími cas en fase de vapor. - Ambientes salinos o ácidos que produzcan corrosión. - Ambientes donde exista electri cidad estática, o campos eléctri cos o magnéticos fuertes, ya que esto puede dañar los circuitos M O S del autómata. c) Raido electromagnético. Entendemos por ruido electromagnético cual quier tipo de perturbación eléctrica que puede alterar el funcionamiento
VI >1 lili C L ASE C
V D E 110 Cl ASE 0 TENSION DE ALIM ENTACIO N M AXIM A (V)
Distancias (mntl
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Distancias Irnin) Al Linca de aire fuga
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12 V c.a. - 15 V c.c.
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125 V c.c. - 150 V c.a.
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500 V c.c. - 600 V c.a.
3.0
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8.0
6.5
13.0
660 V c.c. - 800 V c.a.
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6.0
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4.5
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9.0
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1000 V c.c. - 1200 V c.a.
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9.0
17.0
13.0
24.0
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30.0
2000 V c.c. - 2400 V c.a.
12.0
23.0
17.0
30.0
22,0
47.0
3000 V c.c. - 3600 V c.a.
18.0
36.0
26.0
45.0
32.0
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6000 V c.c. - 7200 V c.a.
36.0
70.0
50.0
90.0
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125.0
10000 V c.c. - 12000 V c.a
60.0
120.0
80,0
160.0
100.0
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ruga
NOTA I as clases B. C y O corresponden respectivamente a ambientes limpios, normales y duros
Tabla 18.3. Distancias de sepuridad entre conductores activos o entre éstos y parles metálicas conductoras sepan l'DE 110. correcto del autómata introduciendo señales extrañas en sus circuitos in ternos.
Una referencia genérica a las Nor mas que definen y clasifican las con diciones ambientales que afectan a
Tabla IS.4. Distancias de seguridad entre conductores activos o entre éstos y panes metálicas conductoras según CSA 22.2 ;V." 14 (aceptada por UL). TENSIÓN DE ALIM ENTACIÓ N M AXIM A IV c.a l
D ISTANCIAS I NTUE PARTES ACTIVAS (ntml
D ISTANCIAS ENTRE PARTES ACTIVAS V MASA Imni)
Al aire
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Al aire
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51-150
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301-600
9.39
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601-1000
13,97
21.59
20.32
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1001 —1500
17.78
30.48
30.48
41.91
1501-2500
25.40
50.80
50.8
76.2
2501-5000
50.80
88.90
76.2
101.6
N O I \ I ¿in tlisiíincins so lian redimiendo en mihmcirns ¡i partir de Ion valoro en pulgadas indicados pni la norma
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un Equipo Industrial en general puede encontrarse en el Anexo IV En cualquier caso, siendo el ruido electromagnético una de las causas más frecuentes del mal funciona miento del A P I. se desarrolla esta problemática en los apartados si guientes.
18.9. COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA El buen funcionamiento de un sis tema de control eléctrico, donde se combinan dispositivos de potencia que producen perturbaciones y elementos o circuitos de pequeña señal, sensibles a dichas perturbaciones, está basado en el cumplimiento de ciertas reglas de di seño e instalación que permitan hacer compatibles los niveles de señal de unos con los de perturbación de otros. El estudio de la problemática general de generación, propagación, influencia
EtovMfl • Z 7 S S IJ1
sobre otros circuitos y medidas de pro tección contra las perturbaciones elec tromagnéticas se agrupa bajo el título genérico de compatibilidad electromag nética, abreviadamente F.MC. Cuando el efecto de tales perturbaciones llegue a alterar el funcionamiento de un de terminado dispositivo o circuito, dire mos que se produce interferencia elec tromagnética, abreviadamente F.MI. El estudio detallado de toda esta pro blemática escapa de los límites de este texto, por lo que remitimos al lector a la referencia [I], No obstante, se darán a continuación una serie de pautas para el caso concreto de la instalación de los autómatas programables. 18.9.1. Origen y propagación de interferencias E l origen de las interferencias en los equipos industriales suele ser la presen cia o proximidad de cierto tipo de re ceptores eléctricos tales como relés, contactores, equipos de tiristores, con mutadores rápidos, etc. Dichos dispo sitivos producen perturbaciones en la red y generan en sus proximidades cam pos eléctricos y magnéticos fuertes que se acoplan a los sistemas electrónicos, induciendo en ellos señales parásitas que perturban su buen funcionamiento o pueden llegar incluso a destruir ciertos componentes de los mismos. En cuanto a las formas de propa gación son esencialmente tres, tal como se indica en la figura 18.3: — Conducción: Propagación a través de conductores, ya sean de la red de alimentación, de las entradas y salidas del sistema o de cables de comunicación. En especial deben controlarse los conductores de ali mentación y el conductor de re torno o común de señales de en trada. — Acoplamiento capacitivo o induc tivo (campos próximos). En este caso, el medio de propagación son los campos eléctrico y magnético generados por conductores de po tencia próximos a conductores de señal. Radiación (campos lejanos). El medio de propagación son los
RED
J .i* I* i . F
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D E A L IM E N T A C IÓ N
Figura IX. i. Posibles rías de interferencia sobre los autómata >.r equipos electrónicos en genera!. campos electromagnéticos provo cados por conductores más ale jados o por transmisores de ra diofrecuencia (antenas de radio, T V . radar, o sistemas que funcio nen por radiocontrol). En realidad el acoplamiento y radia ción consisten ambos en el acopla miento por medio de campos eléctricos y magnéticos que se propagan por el aire, a través de caminos que a veces
no son evidentes. La diferencia está, pues, en la distancia entre la fuente y el receptor, empleándose el término ra diación para campo lejano y el término acoplamiento para campo cercano: Radiación: Distancia de propagación > longitud de onda / 4 Acopiamiento: Distancia de propaga ción < longitud de onda / 4
La tabla 18.5 indica en forma resu mida los posibles orígenes de las per
Tabla IX. 5. Los elementos básicos de la compatibilidad electromagnética. FUEN TES DE PERTUBACION ES
M EDIOS DE PROPAGACIÓN
o
A) N ATURALES: Descargas atmosféricas Ruido cósmico Descargas electrostáticas ESD
A) RADIACIÓN: Antena-antena Radiación de chasis y cables
A) COM UNICACIONES Radio, TV y telecomunicaciones T elélonos
B) PROVOCADAS Transmisores y receptores de RF Equipos industriales Motores Interruptores Elementos de arco Equipos domésticos Veliiculos
B ACOPLAM IENTO Inductivo Capacitivo
RECEPTORES v íc t im a s
Radares
C) CONDUCCIÓN Red de alimentación Fuente de alimentación Cableado de señal Conductor común
B) IN D U STRIALES Autómatas Controladores Instrumentación Sensores Equipos de telecontrol
turbaciones, los medios de propagación y las posibles víctimas de la interferen cia.
D O M IN IO T E M P O R A L (O s c ilo s c o p io )
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D O M IN IO F R E C U E N C IA L ( A n a liz a d o r d e e s p e c t r o s }
E 5 P E C T R 0 DE U N A 5 0 L A F R E C U E N C IA
S E N O IO A l
18.9.2. Espectro de frecuencias
L JO o_.
Para caracterizar una perturbación pueden emplearse dos métodos: - Análisis en el dominio temporal. - Análisis en el dominio frecuen cia!. E l primer método define la pertur bación en términos de amplitud en función del tiempo, tal como se vería con un osciloscopio. El segundo mé todo hace uso de la descomposición en serie de Fourier, indicando la amplitud en función de la frecuencia, tal como se mediría con un analizador de es pectros. La forma temporal de una pertur bación no se mantiene a lo largo de su camino de propagación y la propaga ción suele ser más fácil cuanto mayor es su frecuencia. Por otro lado, el nivel de captación y la susceptibilidad de los circuitos y dispositivos electrónicos, de pende también en gran medida de la frecuencia. Por todo ello se prefiere la representación frecuencial a la tempo ral. La figura 18.4 [l] muestra las dos formas de representación para una se rie de señales típicas. Como idea general puede decirse que cuanto más rápidas son las variacionesde tensión o corriente en el tiempo, la perturbación contiene componentes de
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Figura 18. 4. Representación temporal y frecuenciaI para varias perturbaciones típicas. más alta frecuencia. Las perturbaciones en ambientes industriales suelen ser impulsos con una cierta duración y tiempo de subida. Suele lomarse como patrón para estos casos una onda tra pezoidal de amplitud A , duración T y
tiempos de subida y bajada T, y I] apro ximadamente iguales. El espectro de frecuencia de dicha perturbación se re presenta en la figura 18.5 [l| y la tabla 18.6 |1] da los valores concretos para las perturbaciones más comunes.
Tabla 18.6. Características del espectro de perturbación para algunos elementos típicos de ambientes industriales. Causa
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7
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:a t
6 kllz 0.3 kllz
1000 A
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Convertidores (conmutación natural)
50 gs 1 ms
10 ms
30 Hz
Convertidores (Conmutación forzada)
5 gs 50 gs
15 gs 1 ms
20 kllz 0,3 kllz
60 kHz 6 kHz
1000 A 100 A
20 kA/kllz 3 kA/kllz
Fuentes conmutadas
0.5 gs 5 gs
5 gs 100 gs
60 kllz 3 kllz
60 kllz 640 kllz
10 A 20 A
0.1 A/klIz 4 A/kHz
5 ns
10 ns
30 Mllz
60 M llz
250 V
5 V/MHz
100 gs
1 ms
0.3 kllz
3 kllz
250 V
5 V/kHz
0.5 gs
20 gs
17 kllz
640 kllz
100 kA
4 kA/kllz
1 ns
150 ns
2 M il/
300 M llz
5 A
1,5 A/MHz
Rclcs (sin RC) Relcs (con RC) Descargas atmosféricas E.S.D.
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INSTALACIÓN Y MANTINIMIINTO 01 AUTÓMATAS PROONAMASUS
(tíBJ
T = Duración del impulso T*«c Tiempo de subida Tf =. Tiempo de bajada
Amplitud del espectro a bajas Irecuencias 70 log(Z AT) F re c u e n c ia s de corte
l|=1lr t n V > » Z = ' M T r
a ) Representación temporal
t;| Representación frecuencial Espectro continuo
Finura IX. 5. Espectro de una perturbación de forma trape: nidal. Merece la pena observar que los ele mentos más perturbadores en la banda de frecuencias altas (las más peligrosas) resultan ser los relés y contactores sin RC, que pueden generar perturbacio nes cuya atenuación fuerte (/*,) no em pieza hasta los 60 MHz. Obsérvese que la colocación del R C consigue bajar este valor hasta unos 3 kHz. En el caso de interruptores estáticos, la conmutación es más limpia, pudién dose asimilar casi perfectamente al im pulso trapezoidal antes mencionado y originando espectros de frecuencias que se atenúan rápidamente a partir de I MHz. La proliferación de las fuentes con mutadas hace que merezcan una men ción especial ya que, en muchos casos, forman parte del propio autómata o de otros equipos que normalmente se ubi can dentro del mismo armario de con trol que éste. En muchos casos se con mutan corrientes de algunas decenas de amperios en tiempos del orden de I p.v, originando Interferencias impor tantes en la banda de 150 kHz a I MHz, aunque los valores de amplitud suelen ser mucho más débiles que los encon trados en rectificadores o convertidores de frecuencia para regulación de mo tores. 18.9.3. Comportamiento de los cables a alta frecuencia E l comportamiento de los conduc tores a altas frecuencias es muy distinto del que conocemos para las frecuencias habituales de red. Para longitudes del conductor que no sobrepasen 1/4 de la
longitud de onda de la perturbación, la ¡mpedancia del conductor crece con la frecuencia, pudiendo llegar a ser de al gún centenar de ohmios por metro a 10 M Hz, según se muestra en la tabla 18.7. Recuérdese que la longitud de onda es aproximadamente: Longitud de onda (en metros) = = 3 x 1 0 ’ / frecuencia (en hercios) (18.1) Obsérvese además que este aumento
de ¡mpedancia no se soluciona con un aumento de sección, ya que en la pro pia tabla 18.7 puede verse, comparando las impedancias de dos tipos de cables a 10 M Hz, que sólo hay una variación de 100 Qu 106 Qal aumentar la sección en una proporción de I a 2,5. Este comportamiento nos permite decir, en primera aproximación, que en la banda de 10 kHz a 30 M H z los con ductores actúan frente a las perturba ciones como verdaderos filtros, hacien do que dichas perturbaciones se trans mitan a través de ellos amortiguando su amplitud y suavizando los flancos de subida y bajada de los impulsos tal como muestran las figuras 18.6 y 18.7. Dicho comportamiento puede pare cer beneficioso, y lo es a la hora de evi tar la propagación de interferencias ex ternas a través de los conductores ac tivos pero, en cambio, resulta un in conveniente en los conductores de re torno (masa o común) de los equipos electrónicos por dos motivos: «) Las corrientes de retorno de alta frecuencia provocan sobre la impedancia del conductor común caí das de tensión que se superpondrán
Tabla 18.7. Impedancia de conductores a distintas frecuencias. CONDUCTOR A W (j 22 (sección 0,32 mnv) 1mpedancia
Frecuencia long. - 1 cm
long, = 1 m
long. - 10 m 529 mí2 545 m il U 9 il
10 Hz
529 p í l
52,9 m il
1 kHz
531 p íl
53,9 m il
10 kHz 100 kltz
681 p í l 4,31 m il
113 m il 1.00 Í 1
1 MHz
42,8 m il
10.0 í l
10 M H z 100 M H z
428 m il 4.28 i2
100 Q
-
12,9 íl 129 íl
— -
CONDUCTOR AW G 26 (sección 0.125 mnfl Impedancia
Frecuencia
10 Hz 1 kHz
10 kHz
long. — 1 cm
long. = 1 m.
1,34 m il 1.34 mí2
134 m il 135 m il 171 mí2
1.43 5,01 48.3 483
100 kHz
1 MHz 10 M H z 100 M H z
mí2 m il m il m il
4,83 ti
1.07 ti 10.6 íl
long. = 10 m 1.34 Q 1,35 íl 1.90 Q 13.60 íl
106 íl
135,00 íl —
-
-
NOTA Las casillas cubiertas con un guión no llenen valor de ¡mpedancia asignadu por cuanto la longitud del conductor es del mismo orden de magnitud o mayor que la longiiud de onda de la perturbación.
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de interferencia consiste en no utilizar cables comunes para retorno de señales y otros dispositivos. Como norma cada cable activo debería ir trenzado con su correspondiente retorno en todo su re corrido. Esta regla deberá respetarse principalmente para los cables de señal de muy baja tensión. 18.9.4. Acoplamiento entre cables
Figura 18.6. Pérdida de d \/d t de un impulsa al ser transmitida por un par de cables paralelos (sección 0,75 mm:, distancia 1,25 mm). a otras señales que utilicen el mis mo conductor común para retorno. h) Los conductores presentan una ele vada impedancia para las altas fre cuencias y harán fracasar la efecti vidad de los condensadores de filtro previstos precisamente para elimi nación de dichas componentes de alta frecuencia. Para longitudes de conductor supe riores a 1/4 de la longitud de onda de
berá considerarse la impedancia carac terística del mismo (Z„ — - JlJC ), que depende de la inductancia y capacidad distribuidas y además entrarán en jue go los fenómenos de reflexión y radia ción del cable, en caso de no adapta ción de impedancias. Esta es la causa de que los cables de comunicaciones deban terminarse con una resistencia, tal como suele indicarse en los ma nuales de instalación. La mejor protección contra este tipo
Figura 18.7. Atenuación de un impulso a! propagarse por un par de cables paralelos (sección 0,75 mm:. distancia 1,25 mm).
El mecanismo de acoplamiento ca pacitivo e inductivo entre conductores suele ser la principal vía de captación de interferencias en la mayor parte de equipos industriales. Para obtener un orden de magnitud de las perturbacio nes generadas por este concepto, basta considerar un convertidor para regu lación de un motor que conmute ten siones de 300 V con tiempos de con mutación del orden de 10 ps (muy nor males en los transistores de potencia). Si se coloca un cable de señal, con un recorrido paralelo al del chopper de I m, con lo que la capacidad parásita entre ambos es de unos 50 a 75 pF, se acoplaría en el cable de señal una co rriente: AV i ~ C . = 75 (pF) Al
300 V
10 /zs
a s mA a = a2,25
(18.2) Como datos que pueden resultar útiles en la predicción de este tipo de inter ferencias, se indican en la tabla 18.8 las capacidades parásitas de acoplamiento entre distintos circuitos o dispositivos. Análogam ente, por acoplam iento magnético se inducirán tensiones en circuitos de alta impedancia (circuitos M O S, por ejemplo), cuya magnitud puede calcularse por la fórmula: V=M
di Al
(18.3)
Teniendo en cuenta que en los con vertidores de potencia pueden existir fácilmente conmutaciones con cambios de intensidad del orden de 1 a 10 A/ps. se producirán tensiones parásitas del orden 1 a 10 V por microhenrio. De ahí la necesidad de que los cables de di chos convertidores no formen bucles ni tengan recorridos paralelos a cables de señal. Para predecir cl nivel de perturba-
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Los datos de las figuras 18.8 y 18.9 pueden utilizarse para obtener la señal acoplada con otros valores de longitud, separación entre cables y separación respecto a masa. Las reglas para ello son las siguientes, mientras la longitud de onda dividida por n no sea inferior a las dimensiones del circuito:
Finura IS.H. Relación de tensiones producidas por acoplamiento capacitivo entre cables paralelos. eión producido, tanto por acoplamiento capacitivo como inductivo, pueden uti lizarse los datos de las figuras 18.8 y 18.9, que indican la señal propagada en
tre cables contiguos con un recorrido paralelo de 1 m y diferentes separacio nes entre si (5) y respecto a un plano de masa (/;).
Tabla IS.S. Valores típicos de capacidades de acoplamiento. DISPOSITIVO 0 CIRCUITO
CAPACIDAD
Resistencia 1/2 W (entre extremos) Dos radiadores de 10 enr, separados 1 nim Dos cables de 0,25 mnV trenzados (por metro) Cable central y pantalla de un coaxial R G —58 (por metro) Cable apantallado de dos conductores: (por metro) C
Conductor pantalla
1.5
PF
8,8
75
pF PF
100
pF
200
PF pF
130
C Entre conductores Cable coaxial R G —58 a plano metálico: (por metro) Pantalla a plano metálico Cable central a plano metálico
75 pF 0,45 pF
Transformador de 20 V A entre devanados superpuestos
1
Bobina de relé a base metálica
50
Conector Amphenol patilla a patilla (paso 2,54 mm) Termopar tipo K a cápsula Potenciómetro bobinado a cápsula Cápsula T 0 3 a radiador de aluminio: Con separador de mica de 0,2 mm Con separador de plástico de 0,2 mm Con separador de plástico de 2 mm
nF pF
2
pF
100
pF
100
PF
75
pF
9S
pF PF pF
30
Optoacoplador
1
Galga extensométrica a cápsula Transistor 2 N II9 2 (semiconductor a cápsula)
2
2.5
PF pF
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- F.l nivel de perturbación trans mitido por acoplamiento capaci tivo es directamente proporcional a lu longitud del conductor y a su diámetro e inversamente propor cional a la separación entre con ductores. Rl nivel de perturbación trans mitido por acoplamiento inducti vo es directamente proporcional a la sección de la espira formada por los conductores fuente y victima e inversamente proporcional a la separación entre espiras. - Para ambos tipos de acoplamiento la ganancia aumenta con la fre cuencia a razón de 20 dB/década en tanto no se alcancen longitudes de onda del mismo orden de mag nitud que las dimensiones del cir cuito. En la parte derecha de las curvas puede verse que éstas tien den a ser horizontales. La razón es que para 100 M H z el valor de longitud de onda/rt es precisa mente 1 m y con esta dimensión de cable hay que considerar la ra diación y no el acoplamiento. - Obsérvese que el acoplamiento es menor cuanto más próximos a un plano de masa se encuentran los cables (/; menor). La mejor protección contra este tipo de interferencias consiste en apantallar los cables. Los de potencia, si proceden de algún convertidor potente conviene pasarlos por el interior de tubos me tálicos (las tres fases de entrada y salida en un mismo tubo). L.os cables de señal se pasarán con cable trenzado y apan tallado. 18.9.5. Radiación Las interferencias radiadas tienen su origen, según se ha dicho en los cam pos lejanos. El campo electromagnético creado por este tipo de señales depende de la potencia radiada por el emisor y
la densidad de carga acumulada por un determinado cuerpo cuando se frota con otro depende de la diferencia entre las constantes dieléctricas de ambos, y el potencial alcanzado depende de la capacidad del cuerpo: Q /S= 1.5- 10 " (ert - ir.) CVni (18.5) V = Q /C
(18.6)
Por ejemplo, por el roce de una suela de zapato de goma ( í y = 2,5) con una alfombra de nailon <í t = 5). conside rando una superficie de unos 250 cen tímetros cuadrados y una capacidad en tre pie y tierra de 100 pF, puede dar lugar a una carga y un potencial de: <2= 1.5-10 h-(5-2,5) -25- 10 4 = = 0,93 - I0~- C V = Q /C = 0,93
10 - C / 10 1(1 F =
= 9300 V
de la distancia entre emisor y víctima, según la siguiente fórmula:
£=
y<3o-p) —— a
(18.4)
donde £ es el campo en V/m, P es la potencia radiada en W y d es la dis tancia en m. El campo puede evaluarse en tér minos de campo eléctrico £ o mag nético H, ya que entre ambos existe una relación constante para campos le janos, denominada impedancia carac terística o impedancia de onda ( E/H = Z„ = 377 Q en el vacío y aproximada mente en el aire). La tensión inducida en un cierto conductor o circuito por el campo elec tromagnético en cuestión, será propor cional a su longitud y a la sección del circuito (espira) y dependiente de la impedancia. Este tipo de perturbación es menos frecuente de lo que se piensa y es poco habitual que produzca interferencias en equipos de autómatas, a menos que exista algún radiotransmisor cercano. Muchas veces se habla de interferen cias radiadas, pero en realidad se trata
de acopladas. La protección se consi gue igual que en el caso de acopla miento mediante pantallas, pero en muchos casos basta con incluir el equi po dentro de un armario metálico para protegerse de los emisores externos. En caso de que en el interior del armario se incluyan fuentes conmutadas u otros convertidores de elevada frecuencia de conmutación, éstos deben estar inclui dos en el interior de una caja metálica, conectada a tierra con un conductor propio.
18.9.6. Descargas electrostáticas El fenómeno de las descargas elec trostáticas (E S D ) se debe a que algunos cuerpos se cargan de electricidad es tática cuando se someten a frotamien to. calentamiento o influencia eléctrica de otros cuerpos cargados. Cuando un cuerpo cargado eléctricamente entra en contacto con un conductor o con otro cuerpo con distinto nivel de carga, se produce una descarga (impulso de co rriente). Para tener un orden de magnitud de las tensiones puestas en juego en este fenómeno, basta tener en cuenta que
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(18.7)
(18.8)
Estos niveles de tensión pueden re sultar extremadamente peligrosos para dispositivos electrónicos, sobre todo para M O S de alta impedancia de en trada, si se locan directa o indirecta mente (a través de conectores o ter minales de un circuito impreso). La descarga electrostática puede pro ducir dos tipos de efectos sobre los dis positivos y equipos electrónicos: a) Descarga directa o indirecta sobre un componente. b) Descarga sobre sobre la envoltura de un equipo.
La descarga directu o indirecta sobre componentes suele ocurrir en la fase de fabricación de los componentes, en la fase de manipulación durante su mon taje y en la manipulación de conjuntos montados por contacto a través de las pistas o conectores, que actúan como prolongación de las patillas del dispo sitivo. Dicha descarga puede producir daños por avalancha y destrucción de la capa de óxido aislante en dispositivos M O S y daños irreversibles por exceso de corriente y avalancha local en dis positivos bipolares, incluso cuando el equipo no está alimentado. Por otro lado, durante el funciona-
INSTALACIÓ N Y M A N T IN IM ISN T O D I AUTÓMATAS PR O O RA M A S
miento puede producirse la descarga sobre la envoltura o sobre algún cable externo mal aislado. Esto provocará una interferencia por el impulso de co rriente originado por la descarga. En el caso concreto de instalación de autómatas, las medidas de protección que pueden recomendarse son las si guientes: Evitar manipular las tarjetas elec trónicas antes de su montaje sobre los racks. — Conectar las envolventes metáli cas de los equipos a masa. — Durante el montaje, conectar la toma de tierra, incluso cuando se está manipulando sin tensión. — No intentar manipular en el in terior de los equipos con destor nilladores u otras herramientas. 18.9.7. Clasificación y separación de ambientes La problemática de las interferencias ha despertado un enorme interés en numerosos organismos internacionales
de normalización por su trascendencia sobre el buen funcionamiento de nu merosos equipos. E.n la tabla 18.9 se puede observar un resumen de las nor mas internacionales más importantes en distintos campos. De todas ellas, y refiriéndonos al campo de instalación de autómatas cabe destacar las 1EC-65, IEC-801 c IEC-1000. con sus distintas partes. En algunas normas se establece una clasificación de las señales según su susceptibilidad a interferencias, agru pándolas en diversas categorías o «<7oser» y una clasificación de «tipos de am bientes», según el nivel de interferen cias presente en cada zona. Dicha cla sificación es útil para aclarar qué partes de un sistema de control deben man tenerse separadas entre sí, con cablea dos separados al máximo, tomas de tie rra individuales que deben unirse en un punto donde la resistencia a tierra sea la mínima posible, etc. Las tablas 18.10 y 18.11 dan un resumen de los distintos tipos de señales y de ambien tes que deben separarse entre si. Obsérvese que podrían clasificarse
como clase IV' las señales digitales su periores a 24 V y las analógicas de ten siones superiores a 10 V que sean lácilmente liltrablcs. Concretamente, en el campo de los autómatas podrían ser señales procedentes de entradas y sa lidas, dinamos lacométricas, sitieros, resolvers, etc. Pero la norma incluye en la clase IV elementos muy perturba dores, por lo que se recomienda dividir esta clase en dos grupos: entradas/sa lidas a 24 V c.c. y señales de potencia, separando convenientemente sus ca bleados. Así pues, en un equipo con autómata separaremos los siguientes tipos de se ñales: — Entradas y salidas a 24 V c.c. Agru pables con señales de clase III o clase IV de poca potencia. Es conveniente que cada entrada vaya trenzada con el conductor de retorno. — Entradas y salidas a 110 o 220 V c.a. Agrupadles con clase IV. — Entradas y salidas analógicas. Cla se III. Deben ir apantalladas.
Tabla 18.9. Normas internacionales sobre interferencias. AMBITO
GENERAL DEFINI CIONES
SISTEMAS ISM DF IGNICION
ELECTRO RADIO DOMÉSTICOS TV V SIMILARES
EQUIPOS LUMINARIAS CONTROLES ORDENA DORES ESTADO INDUS SOLIDO PERIFÉRICOS TRIALES C0MUNIC. DIGITALES
RED ELECTRICA
INSTRl MENTOS V MEDIDA
REDES ALTA TENSION
NORMAS EUROPA
CISPR ■ CISPR 8 CISPR 1
CISPR 12
CISPR 14 EN 54014
CISPR 15 EN 44|||4
CISPR 22 EN 55,022
EN 60.555 IF.C 444
CISPR 6 CISPR 16 CISPR P
CISPR 48
7ti/8‘»( EEC 82/.4UI EFE 87/310 EEC
86/361 EEC
UNE 21.806-88
UNE UNE 20403-84 20.5110-84 20503 84 |C 20.503 86 24 20404-84 l( 20,5(34— X4 IR
TORFCTIVAS R’/Cffl/Wi CEE iPtnfucflal
CISPR II EN .45011
CISPR 13 CISPR 20 CISPR 21 EN 541120
TORROEEC 82/W EEC 87/308 EEC
72/245 F.EC 75/322 EEC
CISPR 22 IFC-801 lEC-ira IEC-65
ONE UNF l'NE ONE JI.Í06-M IR 3IL507-M IR 20411-44 IR 20410-84 20530-3» 20430-86 l(
ESPAÑA
ALEMANIA
VDE 1*70
VDF l*T|
t iA \ AMERICA LATINA
SAP 154IC SAr JIII3
FCX 1» FIM-MPS2IIHW
ADE 1*74
VDF («72 DIN 45.305 (Pan 3021
Ftt 15
VDF («'•'
V|)E 0874
VDE 1*01 ADE («71 VDE 0878 VI* 1*70
NEMA DC33 FCC 15— J
399
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VDE 1*75
VI* 0.465 ARE <«M' API 0848 ADE 1*70 ADE 1*76 ADE («C ANSI (61.2
vni 087.1
MILITAR
Nnmus AG
NiKm» Mll-STP
<1 ASI
t ARACTKRiSTIC AS
1
Señales de lipo T T L o similar, de baja tensión y con frecuencias de 1 a 5(1 MHz..
11
Señales analógicas con niveles del orden de 10 m V y frecuencias hasta 1 kllz (sensores) y señales digitales de frecuencias hasta 100 kllz.
111
Señales analógicas de instrumentación y regulación con valores de 1 a 10 V o 4 a 20 ntA con frecuencias menores de I kllz, V señales digitales con tensiones mayores de 10 V y corrientes entre 5 y 10 niA. Se incluyen también señales analógicas del orden de 10 m V si éstas pue den ser filtradas con rechazo a partir de unos pocos hercios.
IV
Señales analógicas de baja frecuencia con niveles de III V y I00 niA. lalcs como las procedentes de transformadores de medida o de tipo digital procedentes de relés, contadores, etc.
V
Señales asociadas a equipos de comunicaciones a larga distancia con ni veles de potencia en torno a I W y frecuencias entre 20 y 500 kllz (m ó dems).
Tabla Ib. 10. Clases de señales según su susceptibilidad. - Cables de comunicaciones. Clase V. Deben ir apantalladas. — Cables de potencia. Clase IV . De ben separarse dos subgrupos para V < 24 V c.c. y V > 24 V c.c. Eventualmente, si existen conver tidores de gran potencia deben apantanarse sus cables incluyén dolos en canalizaciones metálicas.
18.9.8. Red de alimentación La red de alimentación merece una atención especial, ya que es uno de los principales caminos de propagación de
perturbaciones generadas por conexión y desconexión de cargas, armónicos ge nerados por cargas no lineales, picos de tensión originados por la conmutación de cargas inductivas, etc. Por otro lado, dicha red es el punto de conexión de equipos y dispositivos de toda Índole. Desde los equipos de potencia hasta los de pequeña señal, prácticamente todos se alimentan de dicha red y esto constituye un peligro para las interferencias si no se procura aislar las distintas alimentaciones me diante transformadores separadores y filtros de red.
Tabla 18. IT. Clasificación de ambientes según nivel de perturbación. TIPO Di: AMBII-'NTP.
CARA CTPRÍSTIC A S
A
Partes de la instalación con señales de tipo digital clase 1. que generan bajos niveles de mierferencia v, en cambio, son susceptibles de ser dis torsionados.
B
Parles de la instalación con señales analógicas sensibles de clase II. tales como equipos de regulación y control.
C
Partes de la instalación, con señales de clase III. que generan bajos niveles de interferencia y con nivel medio de sensibilidad (instrumentación).
D
Partes de la instalación con elementos de potencia y clase IV . que generan niveles de interferencias relativamente altos y son poco sensibles a per turbaciones externas (relés, inlerruptores, motores, etc.).
F.
Partes de la instalación que manejan señales de control remoto o co municaciones. clase V. que deben ser transmitidas a largas distancias.
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La tabla 18.12 indica algunas de las reglas básicas en cuanto a las separa ciones entre cables de alimentación y cables de señal, necesidad de transfor mador separador y filtros y exigencias de la conexión a tierra.
18.9.9. Resumen de criterios de protección Una vez más debemos resaltar que el tema de interferencias es muy am plio y que un estudio en profundidad se escapa del ámbito de esta obra, por lo que conviene consultar la bibliogra fía especializada [I], Sin embargo, va mos a dar a continuación un resumen de las reglas más importantes a seguir en la instalación de autómatas: «) El tema de alimentación se tratara más ampliamente, con ejemplos, en apartados posteriores. La regla ge neral es que los dispositivos de dis tinta «clase» no podrán tener una misma fuente de alimentación. b) Tanto los circuitos generadores de interferencias como los receptores deben estar acoplados a tierra a tra vés de una baja ¡mpedancia a altas frecuencias. Esto se consigue colo cándolos en bandejas o conductos metálicos cerrados conectados a tie rra. c) La colocación de distintas partes de un automatismo dentro del armario de control («lay out» de las distintas partes del equipo), así como la dis tribución de cables dentro del ar mario debe estudiarse cuidadosa mente y se trata más ampliamente en los apartados siguientes.
INSTALACIÓN T
DISTANCIAS Al 1MENTACION-SF-NAIPuesta a tierra
Tipo de instalación Clase
A
Plano de tierra local
(I)
y especial
Protecciones de la alimentación
Alinicntaeión < 250 V
Alimentación > 250 V
Recurrid! paralelo < 3m > 3 ni
Recorrió! paralelo < 3 ni 3 ni
> 1
> 0,3
> 2
> 2
Ambiente apantallado. Transformador separador con filtro. Relés con supresores
(III
Conexión individual
> 0.3
> 0,1
> 1
> 0.3
Transformador separador con filtro.
a tierra de baja resistencia
(111)
Relcs con supresores
Conexión a tierra
> 0.1
> 0.1
> 0.3
—
> 0,1
> 0.3
Transformador separador con filtro. Relés con supresores
general por un solo punto D (IV ) E
(V)
Tierra general de
—
Alimentación directa
protección Tierras en ambos extremos
fase-neutro Aislar modo común
Normas específicas de equipos de comunicaciones
Tabla 18 12. Distancias entre conductores de alimentación y señales de distintas clases. frecuencias, mientras que en los pre suntos receptores esta ¡mpedancia debe minimizarse con el uso de con densadores de desacoplo conectados a la tierra de señal. h) Las distintas zonas o «tipos de ins talación» deben quedar separados entre si por tabiques metálicos uni dos a la tierra de protección. Las co nexiones eléctricas entre ellos de ben realizarse a través de optoacopladores, relés de tipo D IL o trans ductores separadores con aislamien to galvánico.
ser un «pozo» de perturbaciones. El se cundario de este transformador debe ir unido al conductor de tierra (ver ejem plo de esquemas de conexión en la fi gura 18.10). Es importante que todas las cargas de salida que tengan conexión a bornes
del autómata estén protegidas con un RC antiparasitario, para el caso de ali mentación en alterna, o con un diodo de inversa, para el caso de alimentación en continua, tal como se muestra en la figura 18.11. En autómatas de gama baja suele
Finura 18.10. Esquema típico de alimentación de un autómata. LI L2 L3
N PE
18.10. A L IM E N T A C IO N Y P R O T E C C IO N E S
r
OLJI 300/220 V
Es frecuente que en una instalación con autómatas se manejen varias ten siones de mando (24, 110 o 220 V). Como se ha dicho, hay que evitar mez clar en una misma fuente elementos de señal y accionamientos de potencia, aunque coincidan sus tensiones de mando. E l autómata y el resto de sis temas electrónicos periféricos debería alimentarse siempre a través de un transformador separador, con primario conectado entre fases y nunca entre fase-neutro, puesto que el neutro suele
CPU
S
| NO im p r e s c in d ib l e
Fuente Alim E / S E/S E/S E/S
Corrí _i—i—i—I . i_ _ i
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i
cz:
a)
A lim entació n C A ( b a ja p o te n c ia l
b) A lim e n ta c ió n C A (a lt a p o t e n c ia )
Figura IH.I2. Conexión de un autómata pragramable can fuente de alimentación propia de I15/2.U) I' c.a.. para el circuito de control e interfaces de E/S alimentadas de red a 115/230 y r.a. (Cortesía de Siemens.! c ) A lim e n ta ció n C C I inversió n de p o la rid ad no p ro te g id a )
P ro te c c ió n de inversió n de p o larid a d
1
D io do d e in v e rso
d) A lim e n ta c ió n C C I p ro te g id a c o n tro inversión de p o la rid a d I
Figura 28.11. Protecciones en las cargas de tipo electroimán (relés, contadores, eledroválvulas. etcétera.) ocurrir que salidas y entradas compar ten la misma alimentación del autó mata, por lo que las protecciones an teriores son especialmente importan tes. En caso de alimentación de las sa lidas a 110 V c.a./c.c. o 220 V c.a., pue den incluirse también varistores para descrestar los transitorios de conexión y desconexión y diodos en continua para evitar que. en caso de inversión de polaridad, pueda producirse un corto circuito a través del diodo de inversa.
Nótese que la colocación de varislores no permite prescindir de los RC, ya que aun descrestando la perturba ción pueden quedar residuos de per turbación de elevado ú V 'lái (ver el apartado de compatibilidad electromag nética). Cuando sea posible, sobre lodo en autómatas con gran número de E/S, las entradas y salidas deben alimentarse de fuentes independientes: en cualquier caso esto no es imprescindible si se protegen las salidas como se ha dicho anteriormente, Algunos autómatas disponen ya del transformador separador en su propia fuente de alimentación, en cuyo caso no haría falta la colocación del mismo externamente, En las figuras 18.12 a 18.15 se re presentan algunas configuraciones más propias de autómatas de gama alta. En dichos esquemas se han representado además los elementos de protección in dicados por distintas normas según la tensión de alimentación de las E/S y las necesidades de aislamiento. En las citadas figuras se han marcado con un número encerrado en un círculo los
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elementos esenciales de la instalación. que se describen a continuación: a) La instalación deberá disponer de un interruptor automático general de distribución ( I ) según exige la norm a E N 60.204 o un d isp o sitivo de seccionamiento según la V D E 0100. b) Si en cl cableado del autómata o sus periféricos existen ramificaciones de más de 3 m. con secciones de cables menores que en la linea general, de berá disponerse de otro interruptor automático (2), que esté acorde con dichas secciones, en la linea de ali mentación del autómata programable. t) En muchos casos, la fuente de ali mentación interna no es suficiente para alimentar las E/S. En tal caso se requiere una fuente de alimen tación externa (3), generalmente a 24 V c.c. Se recomienda que dicha fuente de alimentación esté aislada de la red con un transformador con secundario unido a tierra (no con un autotransformador). Las exigen cias de filtrado de la fuente de E/S
INSTALACIÓ N Y M A N TC N IM IIN TO D I AUTÓMATAS PftO O RAM A
il)
e)
D
Finura 18.13. Conexión de un autómata programablc con fuente de alimentación exterior de 24 V cx„ común para el circuito de control e interfaces de E/S. (Cortesía de Siemens) g)
Figura 18.14. Conexión de un autómata programahle con fuente de alimentación propia de 115/230 I’ c.a. pura el circuito de control y fuente externa de 24 V c.c. para alimentación de interfaces de E/S. (Cortesía de Siemens)
h)
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suelen ser pocas, por lo que pueden utilizarse fuentes de bajo coste que deberían llevar, a título orientativo. un condensador de filtro de 200 pl por cada amperio de consumo. Si el circuito de carga tiene más de cinco bobinas de relés, alimentadas en corriente alterna con tensiones de 110 o 220 V, se recomienda em plear un transformador de mando (4) con secundario unido a la toma general de tierra (5) (E N 60.204) para la alimentación de las interfaces do E/S. De esta forma las posibles de rivaciones a tierra de circuitos ex ternos al autómata no afectarán u las interfaces. Los circuitos de carga, asi como el chasis del autómata deberán estar conectados a la tierra de protección (5), a través de un solo punto, que puede ser desmontable, o deberán ir provistos de un relé de protección de aislamiento. Los circuitos de entradas y salidas deberán disponer de un interruptor magnetotérmico de protección (6), independiente del que protege la fuente de alimentación del autó mata. Habitualmente la toma de tierra del autómata y la de los circuitos de E/S estarán unidas a la tierra general de protección (8). No obstante, puede disponerse el autómata programable con alimentación totalmente aislada de red (figura 18.15), siempre y cuando no se empleen tensiones su periores a 24 V o se disponga de un interruptor de control de aislamien to, según E N 60.204 y V D E 0100. En este caso, la toma de tierra del au tómata y el terminal común de la alimentación de E/S deben unirse al chasis del autómata (8), pero este punto no se unirá directamente con el conductor de protección, sino a través de un condensador de filtro. El efecto de dicho condensador es el de poner la tierra interna al potencial de la tierra general sólo para altas fre cuencias (E M I). El condensador debe ser de 500 V c.a., clase X2. En áreas donde la alimentación esté muy perturbada por cargas externas, es conveniente la colocación de un filtro de red para eliminación de ra diofrecuencias en la línea que ali menta la C P U .
metálicas unidas a la tierra de pro tección.
18.12. CABLEADO EXTERNO
Figura 18.15. Conexión de un autómata programable con alimentación del circuito de control ♦’ interfaces de E/S aisladas galvánicamente del conductor de protección. (Cortesía de Siemens)
18.11. DISTRIBUCIÓN Y CABLEADO INTERNO DEL ARMARIO DE CONTROL Debe escogerse la ubicación más conveniente del armario de control y en función de ella su tipo y grado de protección. Asimismo, debe elegirse la ubicación del autómata dentro de di cho armario, tanto a efectos de venti lación como a efectos de separación de cables de señal y potencia con vistas a evitar las interferencias electromagné ticas. La figura 18.16 da una idea es quemática de la situación de los dis tintos elementos dentro de un armario de control que contenga un autómata de gama alta con distintos elementos auxiliares y muestra la distribución in terna de cableada, separando clara mente los distintos tipos de señales y cables de potencia. En muchos casos, sobre todo con au tómatas de gama baja, éstos deben si tuarse en el interior de armarios con juntamente con equipos de electrónica de potencia. En tal caso, el equipo de electrónica de potencia debe elegirse con caja metálica y conectar ésta a tie rra. Los cables de potencia que pro
vienen de convertidores de frecuencia o equipos de tiristores. es recomen dable aislarlos en el interior de una ca nalización metálica blindada para evitar que perturben las señales del autómata, sobre todo si hay señales analógicas. El diagrama de la figura 18.17 muestra un ejemplo de disposición de los distintos componentes dentro del armario de control y su cableado interno para estos casos. Conviene remarcar además algunas reglas respecto al armario de control: ti) El armario debe ir conectado a la tierra de la instalación a través de un conductor de cobre desnudo. b) Asegurar que las puertas y distintas partes del armario tienen una buena conexión a tierra y que ésta no re sulta impedida por contacto entre partes pintadas, bisagras, tapas ator nilladas. juntas de goma, etc. Con cretamente las puertas deben unirse a tierra a través de trenzas conduc toras (prácticamente una por bisa gra). <) Si en el armario existen tomas de corriente o fluorescentes para alum brado, deben separarse con rejillas
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El cableado interno de los armarios de control ha sido tratado en el apar tado anterior, pero el mayor peligro de interferencias y/o posibles perturbacio nes destructivas proviene del cableado exterior. La problemática es la misma en ambos casos, pero el agravante para el cableado exterior es que suele tener longitudes mucho más considerables y, por tanto, la posibilidad de acopla miento y captación de radiaciones es muchísimo mayor. A continuación se da una lista de reglas concretas, pero conviene tener una idea clara del porqué de las mis mas, puesto que entender los motivos nos permitirá decidir en casos que no estén explícitamente contemplados Los criterios básicos que debe seguir todo sistema de cableado son los si guientes: a) Agrupación por ciasen. E l conjunte» de cables que salen del armario de control debería agruparse por clases según el criterio dado en el apartado 18.9.7. Concretamente, en instala ciones de autómatas las clases que podemos encontrar son: a l) Cables de red y salidas de po tencia. a2) Cables de E/S a baja tensión (24 V c.c.) n.T) Cables de E/S analógicas y con tadores rápidos a4) Cables de comunicaciones. h) Separación tle canalizaciones. Los cables de cada una de las clases de berán distribuirse por canalizacio nes independientes. En concreto, la canalización para los cables de po tencia debería ser metálica (tubo o bandeja con agujeros de ventila ción). La canalización para cables de señal puede ser metálica o no, pero por lo menos, los cables de señales analógicas y los de comunicaciones deberán ser apantallados. La figura 18.18 muestra un ejem plo con los distintos grupos de se ñales.
INSTALACIÓ N Y M A N T IN IM ISN T O DC AUTÓMATAS P ltO O R A M A B L li
bandeja metálica abierta para faci litar su ventilación. e) Respetar las realas anteriores en las bifurcaciones. Para cables de poten cia podrá utilizarse un solo cable para retorno común entre equipo y planta, pero en las bifurcaciones de ben mantenerse los criterios ante riores (figura 18.20).
Figura Ib.l6. Situación de un autómata modular y sus distintos bloques en un armario de control. c) Área mínima entre concha lores de ida i retorno. Cualquier cable deberá ir durante todo su recorrido lo más próximo posible al cable o cables de retorno correspondiente. Esta regla es válida tanto para cables de señal como para los de potencia (figuras 18.18 y 18.19). En caso de señales de continua o mandos monofásicos, esto implica que cada uno vaya tren zado con su correspondiente retor no y, en caso de mandos trifásicos, deben ir juntas las tres fases y el neutro, si se usa. Si se trata de cables de potencia, el motivo es que la suma de campos creados por las corrientes sea nulo, causando la mínima emisión. En el caso de cables de señal, el motivo es que la superficie de la espira que forman la ida y el retorno (S,) sea
mínima y, por tanto, exista la mí nima captación de interferencia en modo diferencial. ti) Área mínima en modo común. La re gla anterior es válida Lambién para cada grupo de cables con respecto al conductor de tierra. Es decir, se gún muestra la propia figura 18.19, los cables deben distribuirse lo más próximos posible al conductor de tierra, en todo su recorrido con ob jeto de minimizar el área S., En el caso de cables de señal dé bil (E /S analógicas y contadores rá pidos), esto se concreta en un apantallamiento individual de cables. En el caso de cables de E/S, deben dis ponerse sobre una bandeja metálica o tubo metálico cerrado y en el caso de cables de potencia sobre una
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f) Conexión de pantallas a tierra en un solo punió r configuración estrella. La conexión do pantallas a la tierra de protección debe hacerse por uno solo de los extremos si es posible. En muchos casos esto resulta im posible por exigencias del regla mento electrotécnico o porque al guno de los sensores va conectado a la carcasa; en tal caso, la conexión por el extremo de planta se hará a través de una ¡nduetancia o de un filtro de modo común. En las fi guras 18.18 a 18.20 se ha represen tado simbólicamente este lipo de conexión, cuyo objetivo es permitir una buena conexión a tierra a efec tos de protección, pero impedir la circulación de corrientes de alta fre cuencia por las pantallas y evitar in terferencias de modo común, de bidas a la diferencia de potencial en tre distintas tomas de tierra. La ejecución práctica de tales inductancias o de los filtros de modo común es la que muestra la figura 18.21. e) Integridad de pantallas. Los cables apantallados es mejor no cortarlos para pasar por bornes, pero si esto resulta imprescindible o más prác tico para facilitar las conexiones, debe procurarse que los tramos sin apantallar sean lo más cortos posi ble. Una buena solución puede con sistir en utilizar cajas de conexión metálicas.
18.13. D IS E Ñ O E IN ST A LA C IÓ N D E L SO FTW A RE A lo largo de este capítulo se han ido mencionando causas que pueden en torpecer el buen funcionamiento de una instalación basada en autómatas
Debe hacerse una planificación de las tareas que se encomiendan al autómata y aquellas que pueden ejecutarse mejor con otros dis positivos periféricos o auxiliares (reguladores, ciertas protecciones, etc.), - Usar los métodos sistemáticos de diseño, como el G R A F C E T y el G E M M A . desde la láse de diseño, ya que permiten poner de mani fiesto ciertas incongruencias y ase guran un comportamiento sin ca rreras críticas u otros fenómenos secundarios imprevisibles en otros métodos. - Emplear todos los útiles de si mulación y prueba que proporcio na el autómata en beneficio de la seguridad de la instalación. - Es importante utilizar algunas va riables internas del autómata para señalizar ciertas condiciones de alarma o situaciones anómalas
fígura 18.19. Cableada: cómo minimizar áreas entre conductores de ida y retomo y entre éstos y tierra.
a ) Configuraciones correctas SEÑ A L
'/
/ / / !/ / /
---------
Pk
c 2 P LA N T A
E Q U IP O 2
s2
irh
---------
b) Configuraciones incorrectas
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Figura 18.20. Cableada: bifurcación de señales. Algunas de estas variables inter nas pueden utilizarse para activar señalizaciones luminosas o acús ticas externas y otras no, pero en cualquier caso siempre estarán disponibles para explorarlas con un terminal de explotación. Es importante activar estas alarmas mediante instrucciones enclava das de tipo S E T y guardarlas en el área de R A M salvaguardada por la batería. — Es importante también organizar el programa de forma que pueda probarse su funcionalismo sin ac tivar salidas. Algunos autómatas disponen para ello de una variable interna que permite inhibirlas. - Prever un tiempo de «rodaje» de la aplicación dentro de ios plazos de ejecución del proyecto y antes
Figura 18.21. Protecciones en caso de no poder evitar doble roma de tierra.
de su puesta definitiva en explo tación. — Docum entar adecuadamente el proyecto. El tiempo empleado en esta tarea no es tiempo «perdido», sino que se recupera con creces en ahorro de tiempo de mante nimiento. — Guardar copias de seguridad del programa perfectamente puestas al dia y documentadas.
18.14. F IA B IL ID A D D E L A S IN S T A L A C IO N E S CON A U TÓ M A TA S Las ideas existentes sobre Habilidad, disponibilidad y seguridad en los sis temas basados en equipos electrónicos son a menudo erróneas. Existe todavía quien piensa que éstos son poco ro bustos o muy exigentes en cuanto a condiciones ambientales, pero no se cuantiHcan estas afirmaciones ni se tie ne en cuenta el grado comparativo de complejidad de algunos equipos elec trónicos respecto a otros que se utilizan como comparación. Por otro lado, en el transcurso de los últimos años se han endurecido sensiblemente las exigen cias de seguridad en los distintos cam pos de aplicación de los controles au tomáticos. Para poder hablar con pro piedad de todo ello, se requiere un tra tamiento sistemático y euantificable del tema. Con objeto de clarificar la termino logía y poner de relieve las posibili dades de los sistemas de control ba sados en circuitería electrónica, entre los que se encuentran los autómatas, vamos a resumir en este apartado los conceptos básicos relacionados con la
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fiabilidad, disponibilidad y seguridad de dichos equipos. 18.14.1. Fiabilidad La fiabilidad de un equipo o dis positivo es una magnitud estadística que indica la probabilidad de que dicho equipo falle a lo largo del tiempo. En cierto modo indica la capacidad que tiene éste de satisfacer durante un tiempo dado las exigencias impuestas por la aplicación, lógicamente empleán dolo dentro de unos limites estableci dos en sus especificaciones técnicas. La fiabilidad sólo puede obtenerse mediante ensayos de tipo sobre un conjunto de equipos iguales, ensayados bajo condiciones idénticas y se define matemáticamente por la llamada tasa o frecuencia de averias tal como indica la ecuación 18.9:
r ~ "
N„ ■I
(18.9)
donde: N„. es el número de unidades inicial sometidas a test y n, es el nú mero de unidades averiadas durante el tiempo i. Puede representarse la mencionada frecuencia de averias en función del tiempo para un tipo determinado de automatismo, resultando para los de tipo electrónico una curva típica como la que se ha representado en la figura 18.22. Esta curva recibe el nombre de «curva de la bañera», por su forma ca racterística en la que pueden distin guirse tres zonas bien diferenciadas: a ) Periodo de averias prematuras. El pe riodo de averías prematuras es de-
’O
A verío s p re m a tu ra s
requiere previamente distinguir dos ti pos de fallos del sistema:
^AtimeoTO cor* C
A v e n a s a le a to r io s
A v e r ia s por d e s g a s te
Finura IS.22. Evolución de las averias en sistemas electrónicos. bido a defectos de los materiales y del proceso de fabricación. Se ca racteriza por una tasa inicial de ave rías relativamente alta, que decrece rápidamente durante las 3000 a 10.000 primeras horas de funcio namiento. Esta fase denominada de «mor talidad infantil» se elimina en gran parte, para el usuario final, gracias al proceso de «rodaje a alta tem peratura» («burn in»), equivalente a aproximadamente 3000 a 5000 ho ras de funcionamiento, que la ma yoría de fabricantes hacen con sus productos. b) Periodo de averias aleatorias. Este periodo está caracterizado por una tasa de averias más o menos cons tante, que es debida al envejeci miento normal de los componentes y que define propiamente la fiabi lidad del equipo para el usuario fi nal. El valor de la tasa de averias durante este periodo depende esen cialmente de la bondad del diseño, más que de la calidad de los com ponentes. c) Periodo de averias por desgaste. Al final de la vida útil del equipo se acusa de nuevo un aumento de la tasa de averias ocasionada, sobre lodo, por el envejecimiento natural debido al uso de partes mecánicas o circuitos de potencia del equipo. En el caso de autómatas progra mabas este envejecimiento se acusa, sobre todo, en los circuitos de in terfaz. de E/S. por lo general so metidos a mayores solicitaciones que los circuitos internos de control.
18.14.2. Disponibilidad La disponibilidad es una magnitud estadística, que se define como la pro babilidad de que un sistema determi nado se encuentre en condiciones de funcionar correctamente en un instante cualquiera. Matemáticamente se define la disponibilidad V como se indica en la ecuación siguiente:
F=
M TBF M TBF+ M TTR
(18.10)
donde: M T B F significa «Mean Time Between Failures», tiempo medio entre fallos. Se trata de un parámetro que da idea del tiempo total que el equipo ha estado en condiciones de producción. Obsérvese que para que el parámetro sea significativo deben contarse sólo las horas de producción. Por otro lado, aunque el nombre parece indicar que debe contabilizarse el tiempo medio entre fallos consecutivos del equipo, en realidad se suelen contar también los tiempos de paro por mantenimiento, aunque éste sea preventivo. MTTR («M ean Time To Repair»), tiempo me dio de reparación. Al igual que en el caso anterior, debe incluirse el tiempo necesario para mantenimiento preven tivo. Obsérvese que estos parámetros sólo cambian cada vez que se produce un paro por averia o mantenimiento y per miten precisamente planificar el man tenimiento preventivo del equipo. 18.14.3. Seguridad E l concepto de seguridad es algo más ambiguo que los anteriores, puesto que
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— Fallos peligrosos o derivos. Son aquellos en que el equipo ejecuta acciones no previstas que pueden suponer un peligro para la inte gridad del sistema o del operador Aplicado al campo de los autó matas podríamos decir que son activos todos aquellos fallos que dan lugar a la activación de salidas en casos en que no deberían ac tivarse. — Fallos no peligrosos o pasivos. Son aquellos en que el equipo deja simplemente de funcionar u omi te ejecutar alguna acción. Refi riéndonos otra vez al caso de los autómatas, podríamos decir que son averias pasivas aquellas que implican la no activación de sali das en casos en que deberían estar activadas. Partiendo de estos conceptos, como se ha dicho algo subjetivos, se define el grado de seguridad S de un auto matismo como: S= I -
Número de averias peligrosas Número total de averias (18.111
Un automatismo se considera to talmente seguro cuando impide total mente la aparición de averias peligrosas o activas. En los casos en que el automatismo deba satisfacer unas altas condiciones de seguridad, será necesario tomar pre cauciones para detectar y bloquear las averias activas. En el caso concreto de autómatas prograrnables. estas medidas pueden ser: — Funciones propias de autotesl in corporadas en el autómata que bloquean la ejecución del progra ma y desactivan las salidas en caso de avería. — Efectuar la vigilancia de ciertas se ñales de salida realimentándolas a una entrada. — Establecer determinadas condicio nes redundantes en el propio pro grama del autómata o a través de dispositivos externos de seguri dad.
18.14.4. Averías en las instalaciones de autómatas A pesar de todas las medidas lo madas pura asegurar la máxima fiabi lidad de los autómatas programables, la tasa de averias no puede ser nula, aun que hay que decir que si se consiguen lasas muy bajas y, por supuesto, en au tomatismos complejos mucho menores que las que se podrían conseguir con dispositivos electromecánicos. De la experiencia en aplicaciones con autómatas programables se deduce que las averías en los mismos se distribuyen aproximadamente según se muestra en la ligura 18.23 |2|. Según puede verse, aproximadamen te un 95% del total de averias tienen lugar fuera del autómata y se deben, por lo general, a condiciones ambien tales anormales, que afectan a los sen sores, actuadores, cableado, etc. Así pues, el autómata es, por lo ge neral, la parte más fiable de la insta lación, debiéndose a él sólo un 5% de las averias. Del 5% de averías debidas al autó mata, la mayor parte (un 90% aproxi madamente, es decir un 4,5% de las to tales) se producen en los circuitos de interfaz de entradas/salidas, ya que son los más directamente expuestos a las solicitaciones externas. Finalmente, el 0,5% restante de las averías totales se deben a circuitos in ternos del autómata, repartiéndose por igual entre la unidad central, memoria, buses y alimentación. Dado el relativamente alto grado de
Habilidad de los circuitos internos del autómata, es muy lógico pensar que las propias funciones de diagnóstico y test incorporadas en el mismo pueden con tribuir sustancialmente al aumento de la disponibilidad y seguridad de la ins talación en su conjunto. Asi pues, salvo protecciones que deban seguir activas en condiciones de fallo de alimenta ción. el resto de seguridades pueden perfectamente ser encomendadas al au tómata.
18.15. M A N T E N IM IE N T O D E IN S T A L A C IO N E S CO N A U TÓ M A TA S F.l apartado anterior sobre fiabilidad y averías del autómata puede ser de gran ayuda para agilizar las operaciones de mantenimiento de una instalación con autómatas. De entrada cabe plan tear dos tipos de mantenimiento: — Intervención por averia fortuita imprevista. — Intervención por mantenimiento preventivo. Para facilitar las operaciones de man tenimiento, en'cualquiera de los dos casos es útil mantener un historial de cada una de las partes del automatismo siguiendo las siguientes indicaciones: a ) De carácter general. — E l gráfico de la figura 18.23 da una primera idea muy clara de dónde es previsible una mayor conflie-
Figuru IS.23. Clasificación de las averias en instalaciones con autómatas programables. In sta la c ió n
A u tó m ata
U n id a d ce n tra l
5%
Funciones
Unidad de c o n tro l
95%
E n tra d a s s a lid a s
centrales
S is te m a de bus Alim entación
De todas tas a v e n a s *»n to t n s t a l o c ó n
un 5 % cor resp ond e al a u tó m a ta
y selo un 5 % . a la u n id a d c e n tr a l
A u m en to d e l a d is p o n ib ilid a d g r a c ia s a fu n cio n e s d e d ia g n o s is p ro g ra m a d a s
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tividad de cara a las averias. Ba sándose en ella debe preverse un pequeño «stock» de los recambios previsiblcmcntc más necesarios. Fn el interior del armario de con trol debe existir una copia de los esquemas, diagrama G R A F C E T del proceso y documentación im prescindible para mantenimiento. Una copia adicional de esta do cumentación deberá estar archi vada en el departamento de man tenimiento, junto con las copias de seguridad del programa. — Debe existir a pie de máquina un manual de la forma de actuación prevista ante situaciones de emer gencia. — E l servicio de m antenim iento debe disponer de un terminal de explotación o de una consola de diagnóstico y test del autómata perfectamente operativa. — Las protecciones y errores básicos deben estar señalizados mediante alarmas luminosas o acústicas. Como se ha dicho en el apartado de software, debería existir ade más una lista de variables internas programadas para condiciones particulares de alarma. — No es frecuente que un autómata altere su programa, pero en caso de que éste esté contenido en una R A M mantenida con batería, po drá ser necesaria la comprobación de aquélla y una verificación pe riódica del programa con el «backup» de la última versión, h) Caso de averia fortuita. Comprobar en qué estado ha que dado detenida la máquina y pedir información sobre las condiciones en que se ha producido la averia. Si es posible, identificar ambos so bre el G R A F C E T . A este respecto hay que saber valorar las aprecia ciones del operario a pie de má quina, pero a la vez hay que tener en cuenta que no suele ser un es pecialista o incluso que puede in tentar ocultar la verdad si sospe cha que ha efectuado alguna ma nipulación errónea. * Comprobar el estado de las alar mas señalizadas mediante indica dores luminosos o acústicos. En particular, el propio autómata suc-
le incluir algunos indicadores de diagnóstico (E R R O R o E A IJL T ). - Comprobar que las señales de en trada llegan adecuadamente al au tómata observando los L E D de in dicación de E/S. Si se dispone de alarmas no se ñalizadas exleriormente, conectar el terminal de explotación y ob servar sí ha disparado alguna de las condiciones de error propias del autómata o de las programa das por el usuario. Colocar el autómata en condición de T E S T sin que se produzca ac tivación de salidas y comprobar la correcta actuación de éstas me diante el forzado manual. c) Mantenimiento preventivo. - Debe disponerse de una ficha de cada máquina o sistema automá tico con todos los elementos que requieran revisión periódica (ba terías, fusibles, contactos, escobi llas, etc.) La propia ficha debe contener un registro donde figuren todas las averías que ha tenido, la causa, si es conocida, y la solución aplica da. Deberían anotarse también los paros u operaciones anómalas ob servadas por el operario a pie de máquina, aunque no hayan re querido la intervención del per sonal de mantenimiento (disparo de alguna protección, fallos solu cionados con un R E S E T , etc.). - La citada ficha, junto con el grá fico de la figura 18.23, permiten planificar cuales son las partes so bre las que hay que intensificar la vigilancia por haberse demostrado
que suelen ser más propensas a averiarse. - Planificar el mantenimiento pre ventivo, a ser posible con presen cia del manipulador habitual de la máquina o habiendo recabado in formación de éste. — Comprobar la lecha de caducidad de los elementos perecederos. En el caso particular de autómatas, deben comprobarse las baterías de salvaguarda de R A M . - Comprobar el buen estado de ele mentos redundantes o de protec ción que habilualmenle no están en uso (relés diferenciales, ter mostatos, ventilaciones forzadas, etc.) — Comprobar los filtros de ventila ción del armario y controlar la en trada de polvo, sustituyendo las juntas si fuese necesario. - Revisar el cableado, cuidando de que no existan bornes o conec tores llojos. En los conectores de bería comprobarse también que no están cubiertos de polvo o que no hayan perdido presión. — Revisar las tomas de tierra, com probando que existe un buen con tacto.
18.16. R E S U M E N El éxito de un proyecto de auto matización se medirá por su adecua ción a las necesidades y por su segu ridad y fiabilidad de funcionamiento. De nada sirve un proyecto muy de purado y unos equipos muy sofistica dos si no se cuida su instalación y pues ta en marcha.
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A lo largo del capítulo hemos hecho hincapié en las exigencias de la fase de instalación de los equipos electrónicos en general y, en particular, de las ins talaciones que incluyen autómatas programables. Como resumen de todo lo dicho cabría decir que los peores enemigos de dichos equipos suelen ser las condiciones ambientales adversas y las perturbaciones electromagnéticas y. por tanto, deben adoptarse las me didas necesarias para garantizar que estos aspectos no lleguen a ser pro blemáticos. Hemos visto también que la dispo sición de los distintos bloques en el ar mario de control y su interconexión con los elementos de planta constituyen uno de los puntos clave para obtener un sistema robusto y adaptado al am biente industrial. Finalmente, queremos insistir una vez más en que todo esto no se im provisa, sino que debe planificarse ade cuadamente como una parte más del proyecto, que muchas veces (equivo cadamente) se deja en manos inexper tas. Asi pues, es preciso que el proyecto incluya instrucciones precisas de dis posición de los distintos elementos en el armario, cableado, conexiones a tie rra y otros aspectos que se han ido de tallando a lo largo del presente capi tulo.
18.17. REFERENCIAS |l| Balcclts J , Daura F., Esparza R . Pallas R. In terferencias electromagnéticas en sistemas electrónicos. Marcombo S.A. (IÓÓ2I |2| S IE M E N S , Catálogo de Autómatas Progra mabas SIM A 1IC S I 15, SI.15, S I si). S II M F N S S A
ANEXO I. PRINCIPIOS DE ÁLGEBRA LÓGICA A l.l. C O M P O N E N T E S TODONADA Y V A R IA B L E S L Ó G IC A S Muchos componentes utilizados en sistemas de control presentan dos es tados claram ente diferenciables. LI ejemplo más típico y conocido en el mundo de los automatismos es el de los contactos y relés, que tomaremos como referencia para ejemplos. A este tipo de componentes los llamaremos lodo o nada o también componentes ló gicas y a los automatismos basados en ellos automatismos Iónicas. En los automatismos lógicos se ma nejan continuamente los conceptos: abierto-cerrado, conduce-no conduce, activado-no activado, tensión alta o baja, mayor que o menor que. etc., siempre haciendo referencia a dos es tados posibles. Para estudiar de forma sistemática el comportamiento de estos elementos, se representan los dos estados por los símbolos 0 y /. De esta forma podre mos utilizar una serie de leyes y pro piedades comunes a todos ellos, con independencia de la naturaleza física del componente en sí; es decir, bajo este punto de vista trataremos por igual un contacto (0 abierto, l cerrado) que un cilindro neumático (0 contraido, I extendido) o una electroválvula (0 no pasa, l pasa). Atendiendo al criterio anterior, todos los elementos en los que nos interese observar una propiedad de carácter todo o nada, son representables por una variable lógica, entendiendo como tal aquella que sólo puede tomar los va lores 0 y 1. El conjunto de leyes y reglas de operación de variables lógicas se de nomina álgebra lógica o álgebra de finó le, en honor al matemático irlandés Georgc Boole (1815-1864), que desa rrolló las bases de la lógica matemática.
por sólo dos elementos que designa remos por 0 y I Llamaremos variables lógicas a las que toman sólo los valores del conjunto B. es decir II o / En el conjunto B se definen tres ope raciones básicas: Suma lógica: Llamada también ope ración «O» (O R en inglés). Es una ope ración entre dos variables lógicas a y />, representada por el símbolo +. y de finida por la siguiente tabla:
a
a
(1
1
1
< 1
a
h
a +h
Las reglas generales que se despren den de la tabla son las siguientes:
(.1
l)
0
« +« = I
0
1
1
a ■a = 0
1
0
1
1
1
1
La regla general que se desprende de la tabla es la siguiente: 0 +« =
a
1+0 = I
Producto Iónico: Llamada también operación «Y » (A N D en inglés). Es una operación entre dos variables lógicas a y h, representada por el símbolo , y definida por la siguiente tabla (a veces se prescinde del símbolo «•»): a
b
a ■b
0
0
II
0
1
0
1
t)
0
1
1
1
a =a
El axioma fundamental del álgebra lógica es que cuaU/uier relación entre va riables lógicas puede representarse por combinación de estas tres operaciones básicos. Es interesante poder ver el sentido práctico de estas operaciones en rela ción al comportamiento de los com ponentes todo o nada. Para ello to maremos como ejemplo los automatis mos de relés y estableceremos los con venios que están indicados en la figura A l.l. Obsérvese el esquema de la figura A 1.2: el sistema formado por la lám para y los dos contactos en paralelo tie ne un comportamiento que resulta ser idéntico al de la tabla de la operación suma, por tanto podemos escribir: /. = —
La regla general que se desprende de la tabla es la siguiente: A 1.2. O P E R A C IO N E S L Ó G IC A S Llamemos B a un conjunto formado
C o m p l e m e n t o Llamada también ope ración «NO» (N O T en inglés). Es una operación sobre una variable lógica a. representada por el símbolo . y defi nida por la siguiente tabla:
1 a= a 0 <7= 0
413
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(a+ b).
De forma más general, la figura A 1.2 nos indica que poner contactos en pa ralelo equivale a efectuar con ellos la operación «O» o suma lógica. De esta forma, además, se comprende algo que suele chocar al principiante en álgebra lógica y es que si observamos la tabla de la suma hemos dicho que: (l+ l)= l. En efecto, el hecho de cerrar los dos contactos enciende la lámpara, pero igual que lo haría uno solo, de ahí que
A 1.3. P R O P IE D A D E S DF.E Á L G E B R A L Ó G IC A COMPONENTE
^ _
MODEL O A~0
--------► A B I E R T O
A =1
-------- ► CER R AD O
B=0
--------► D E S A C T I V A D A
B=I
--------► A C T I V A D A
L=0
--------► A PA G A D A
L=1
-------- ► E N C E N D I D A
Las propiedades del conjunto tí (0, I) en el que se han definido las ope raciones (+, •, ), pueden deducirse di rectamente de las tablas de operación dadas en el párrafo anterior:
CONTACTO A
cz>--V czdH
BOBINA
^
B
L ÁMP AR A
Propiedad conmutativa:
L
De la suma: a + b = h + a Del producto: a ■h = b a
Figura A l.l. Convenios en lógica de relés.
Propiedad asociativa:
De la suma: (a + />) + £' = « + {b + c) = « + />+ £ Del producto: {a •/>)•<• = « - ( b ■c) — a - h • c Leves de idempotencia: CONTACTO
LÁM PARA
De la suma: a + a — a: a + a — I Del producto: a ■a — «; a ■a = 0
V A R IA B LES
a
b
L
a
b
L
a b ie rto
a b ie rto
apagada
0
0
0
a b ie rto
cerrado
e n ce n d id a
0
1
1
cerrado
a b ie rto
e n cend ida
1
0
1
cerrado
cerrado
e n cend ida
1
1
1
Figura A 1.2. Operación lógica «O». desde un punto de vista lógico es lo mismo (I tO) o (0+1) que (l + l). De igual forma, de los esquemas de las figuras A l . 3 y A . 1.4 se desprende que poner contactos en serie equivale
Propiedad distributiva:
De la suma respecto al producto: m • (ó + tj = («•/>) + («• r) Del producto respecto a la suma: « +( / >• rj = (n + b) ■(a +
a efectuar con ellos la operación «Y » o producto lógico y que los contactos no rm alm ente cerrados de un relé eq u ivalen a e fe c tu a r la operación «NO».
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a
+ b +
a ■b ■c
c
+ ... =
a
•h
■ t ■ ...
... = ó + h + c 4 ...
A 1.4. F U N C IO N E S L Ó G IC A S : T A B LA D E V ER D A D
PRINCIPIOS D I ALGIRftA LÓGICA
0 u la salida y fórmese un producto de variables, de forma que si una variable vale 0 en aquella lila se coloca su com plemento y si vale I se coloca la va riable sin complementar. h) Escríbase la función que resulta de sumar todos los productos, negando el valor de la función. En el ejemplo que nos ocupa la expresión algebraica de la función sería:
B
■ 8 ¡H CONTACTO
L = a
LAMPA RA
VA R IA B LES
a
L
a
L
a b ie rto
encend ida
0
1
cerrado
apagada
1
0
S = ABCD + A BCD + A BCD +
+ ABCD + ABCD + ABCD + + A B C D + A B C D + A BC -D +
+ ABCD
Finura 11.4. Operación Iónica «A¡0>k
dos valores, el número de combinacio nes posibles es limitado. Concretamen te, el número de combinaciones distin tas que pueden formarse con n varia bles binarias es 2". Esto permite ex presar las funciones en forma de tabla, indicando cuánto vale la salida S para cada una de las combinaciones de las variables de entrada E r Dicha tabla re cibe el nombre de labia de verdad. Como ejemplo, supongamos que la salida S de un sistema depende de cua tro entradas A. B. C y D y deseamos que dicha salida se active sólo si están activadas A y B o C y D. pero no si están las cuatro activadas. La tabla A 1.1. representa todas las combinacio nes posibles con las variables de en trada y para cada una de ellas asigna valor 1 a la salida si debe activarse y valor 0 en caso contrario. Decimos que la salida es función de las cuatro entradas y lo expresamos como: S = /{A.B.C.D). Podemos ob tener una expresión algebraica de dicha función por alguno de los siguientes métodos: M ÉTO D O I: (V er tabla A l . ! ) a) Tómese cada combinación que dé 1 a la salida y fórmese un producto de variables, de forma que si una variable vale 0 en aquella fila se coloca su com plemento y si vale I se coloca la va riable sin complementar. b) Escríbase la función que resulta de sumar todos los productos. En el ejem plo que nos ocupa la expresión alge braica de la función seria la siguiente:
S = A BC D + ABC D + A BC D +
+ A BC D + A BC D + A BC D M ETODO 2: (V er tabla A 1.1) a) Tómese cada combinación que dé
Obsérvese que uno de los dos mé todos da la función con menos tér minos. esto representaría un programa más corto en un autómata o menos componentes en sistemas cableados; aunque de hecho ambas expresiones de la función pueden aún simplificarse como veremos en el párrafo siguiente.
Tabla ,41.1. Tabla de verdad. EN TRA D A S
S A L ID A
M ÉT O D O 1
M ÉT O D O 2
A
B
c
D
s
0
0
0
0
0
ABCD
0
0
0
I
0
ABCD
0
0
í
0
0
ABCD
0
0
1
1
1
0
I
0
0
ABCD
0
i
0
1
0
ABC-D
0
1
1
0
0
ABCD
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
ABCD
1
0
1
0
ABCD
1
0
1
0
ü
i BCD
1
0
1
1
1
ABCD
i
1
0
1
ABCD
1
1
0
1
1
ABCD
1
1
1
0
1
ABCD
1
i
1
1
ó
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ABCD
ABCD
ABCD
A 1.5. S IM B O L O S L O G IC O S Kl álgebra lógica es una herramienta que pretende, según hemos dicho, ser independiente de la naturaleza física de los componentes que se utilicen para ¡mplementar una determinada función No obstante, en sistemas cableados, re sulta conveniente disponer de algún método gráfico que permita representar la estructura del sistema físico y poner de relieve las interconexiones entre los bloques que lo integran. Para ello se han ideado una serie de símbolos que permiten representar las funciones bá sicas tanto combinacionales como secuenciales (véase el capítulo 2) sea cual sea la tecnología empleada (eléctrica, neumática, hidráulica, etc.). Además, la necesidad de representar bloques lógicos complejos ha dado lu gar a la normalización de estos sím bolos por parte de una serie de orga nismos pertenecientes a ISO, apare ciendo las publicaciones A N S I Y32.14, IE E E Std 91 e IE C 617-12, todas ellas equivalentes. La descripción detallada de toda la simbología empleada para bloques lógicos está fuera del ámbito de este resumen y para mayores de talles recomendamos al lector las re-
lerendas |l| y |2| o los propios textos de las normas antes mencionadas La figura A 1.5 muestra los símbolos de las funciones básicas, que permiten representar cualquier tipo de sistema combinacional o secuencial. Los sím bolos representados en la parte izquier da corresponden a la normalización ISO ( A N S I/ IE E E e IE C ), mientras que los representados en la parte derecha son símbolos no normalizados, pero se han incluido aquí porque durante largo tiempo se han venido empleando en electrónica para representar esquemas con puertas lógicas.
ALÓ. T A B L A D E K A RN A U G H Y S IM P L IF IC A C IÓ N Las funciones lógicas pueden sim plificarse aplicando las propiedades enunciadas anteriormente. La simpli ficación se basa esencialmente en hallar términos adyacentes y sacar factores comunes. Dos términos se dice que son ad yacente ; si tienen las mismas variables, con el mismo estado de complementación, excepto una. Por ejemplo, en la función que hemos obtenido anterior mente: S = A-B-C-D + A B C D
figura A 1.5. Símbolos de las funciones lógicas básicas.
a)
Función "O"
S t A +B
+ A BCD
+
+■ A B C D + A B C D + A B C D los términos Á-B-C-D v A-B-C-D son ad yacentes, puesto que contienen las mis mas variables y sólo la B aparece en uno con complemento y en otro no. Si se aplica la propiedad distributiva (fac tor común) A-B C D _+ A B-C D = = A C D (B + B ) = A C D
b)
Función
Y
SsA •B
sj>— S
c) Función NO je n entradas o salidas!
dt Bloque funcional
BIESTA8L.tr R S '
00
01
00
0
0
itj
0
01
0
0
Ü J
0
0
■ i;
0
¡V;
0
11 [ T
Para poner en evidencia las adyacen cias resulta cómodo disponer la tabla de verdad de forma que los términos adyacentes resulten vecinos. La tabla resultante se llama de Karnaugh y para nuestro ejemplo seria la representada en la tabla A 1.2. Esta tabla contiene los 2" valores de S en otros tantos cuadros dispuestos en forma de tilas y columnas, de tal forma
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n
-T p0
10
10
-
H;
Tabla A 1.2. Tabla de Karnaugh. que las filas y columnas contiguos con tienen términos adyacentes. Asimismo la primera y la última filas y columnas son adyacentes entre sí. Tomemos la tabla de Karnaugh (ta bla A 1.2) del ejemplo que hemos ido siguiendo y obtengamos la función por el método I que hemos explicado an teriormente; podemos ver que los si guientes grupos de términos adyacen tes: adyacencias r, = A-B-C-D + rlB-C D + AB-CD: columna A B — II T, = AB - C D + A B - C D + A - B C D : lila CD = 11 En ambos casos hay adyacencia del primero con el segundo y el tercero, pero para poderlos asociar dos a dos nos haría falta dos veces el primer tér mino. Esto no es problema si recor damos la propiedad de idempotencia, que nos decía que: X = X + .Y; por tan to, podemos doblar en ambos casos este primer término: adyacencias__________
Puesto que ( B + B ) = I y A-C-D-\ = A C D
»— cjs
AB CD
L .
CZ
L
I _
A-B-C-D
+
A-B-C-D * A-BCD
f
A B-CD
T, = A-B-C-D
+
A-B-C-D
♦
A B-C D
7, =
+
A BCD
Asociando ahora los términos ad yacentes resultará: 7j = A-BD-fC+C) + ABCAP+D) = = A-B-D + A B C = A-B-(C+D)
T, = B-CD-fÁ+A) + A-C-D (B+B) = = B C D + A C D = C-D-(A +B)
■
i
complementudu porque su valor es cero en ambas. <í) Sumar todos los términos de los grupos para obtener la expresión de la función. e) Buscar factores comunes y aplicar la propiedad distributiva.
La función simplificada queda pues: ó' = A B ( C a-D) + c n ú + B ) Recordando que los productos co rresponden a contactos serie y las su mas a contactos paralelo, podemos ob tener de la función el esquema de relés que hemos representado en la figura A 1.6. Podríamos dar también una re presentación más genérica mediante los símbolos lógicos definidos en el apar tado anterior, como hemos hecho en la figura A 1.7, o, en el caso de ¡mple mentar el sistema de control con un autómata, podríamos deducir el pro grama a partir de la expresión analítica de la función. En resumen, para simplificar funcio nes haciendo uso de las tablas de Karnaugh deben seguirse las siguientes re glas: a) Disponer los ceros y unos de la ta bla de la verdad en una tabla de Karnaugh.
Figura A l.7. Esquema con símbolos lógicos IEC correspondiente a la función: S = A H tC+DI t+ CDÍA7B).
h) Identificar las casillas que contienen unos y formar grupos de 2. 4, 8... o en general, grupos de 2" casillas ad yacentes. Lln uno puede pertenecer a más de uno de estos grupos, lo cual equivale a duplicar un término aplicando la propiedad a=a+a. ¿j A cada grupo le corresponde un producto de variables en el que sólo intervienen aquellas que no cam bian de valor dentro del grupo. D i chas variables deben complemen tarse si su valor en el grupo es cero. Asi por ejemplo en la tabla A 1.2, la pareja de unos en las casillas AB= 00, 01 y C D = II. dan lugar al tér mino A C O . Vemos que no aparece en dicho término la variable B por que cambia de valor en dichas ca sillas y que la variable A aparece
Q
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El método de simplificación de Kar naugh se hace difícil de aplicar para más de cuatro variables. Existen métodos alternativos (véanse las referencias |l| y [2] indicadas en el capitulo 2), pero no vamos a prestarles excesiva impor tancia, dado que en el desarrollo de programas para autómatas no es pre ciso llegar a la función más simplifi cada, sino que basta con obtener una expresión de la función. La simplificación hasta obtener la mínima expresión es interesante en sis temas cableados, donde cada variable de más representa más puertas o más contactos, pero en sistemas progra mados representa sólo una mayor ocu pación de memoria y a lo sumo una ligera penalización en la velocidad de ejecución del programa. Sin embargo, a veces se sacrifican estos conceptos en beneficio de una mayor claridad del programa o una mayor facilidad de mantenimiento.
A 1.7. R E F E R E N C IA S |l| Mandado E-, Marcos J.. Pérez S.A. Comroladores lógicos y autómatas prograrnables Mar combo S.A. (1990). |2| Varios aulores. The T TL Dala Book Cor Design Engineers (Vol I) Texas Instruments 11*1X4)
M O O R A M A ftU f
ANEXO II. CODIGOS Y SISTEMAS DE NUMERACIÓN numérica es aquella que representa una magnitud. Estas variables se co difican mediante un conjunto de unos y ceros. Ejemplo: 0 10 10 110 re presenta el número 86 en sistema binario. Caracteres alfabéticos: Los caracteres alfabéticos se suelen codificar me diante códigos numéricos. F.I código más comúnmente empleado es el A S C II (American Standard Code l'or Information Interchange). La tabla A2.1 da una lista de los códigos eni-
digital puede manejar varios tipos de variables, según el código empleado. A continuación se indican algunos de los tipos de variables más habituales:
A2.I. IN F O R M A C IO N D IG IT A L Los autómatas, ordenadores y otras máquinas electrónicas capaces de eje cutar cálculos y de efectuar tratamiento de textos e imágenes se denominan, normalmente, máquinas digitales por el hecho de que manejan la informa ción en forma digital. Entendemos por información digital aquella que se codifica mediante con juntos de variables de tipo binario (unos y ceros). En general, un sistema
>bits: Una variable — Variables Iónicas < lógica o bil es aquella que puede lo mar sólo dos valores, codificados ge neralmente como I y 0. Por ejemplo, tal como se ha visto en el anexo I. 0 puede representar un nivel bajo de tensión y I un nivel alto. - Variables numéricas: Una variable
Tabta A 2.1. CádiRos ASCII en decimal, acial, hexadecimat. N."
Octal
Hex
Car
N."
Octal 040 041
21
042
96
140
A
141
61
66
102
42
B
97 98
142
62
b
#
67
63
c
68
C D
143
s
43 44
99
24
103 104
100
144
64
d
25
%
69
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E
101
145
65
e
26 27
& *
146 147
66
r
71
105 106 107
67
050 051
28 29
(
150
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¡
42
052
151 152
6A
43
j k
44 45 46 47
002
02
STX
3 4
003 004
03 04
ETX
35
FO T
36
043 044
5
005
05
EN Q
37
045
6
006 007
06 07
ACK
7
38 39
046 047
40 41
10
012
IIT LF
II
013 014
0B
VT FF
12
13 14 15
015 016 017
OC 0D 0E
CR SO
0F
Si
2A
72 73 74
053
2B
+
75
054
2C
,
055 056 057
2D 2E
-
2F
/
76 77 78 79
48 49
060
30
0
061
31
50
062
063 064
32 33 34
065
020
10
D LE
021
II
18 19
022
12
DCI DC2
023
13
DC’3
51
20
024
14
21
025
15
DC4 NAK
52 53
22
026 027
16 17
SYN
54
030
18 19
ETB CAN
55 56
EM
24 25 26 27
031 032
IA IB
S l 'B
033
ESC
57 58 59
N."
46
F
102
G II
103
III
47 48 49
112
4A
113 114
4B
J K
110
115
4C 4D
1
L M
104 105 106
Oclal
Hex
Car
60 a
107 108 109
153
6B
154 155
6C
1
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N
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111
0
120
112
70
P
l
81
121
2
82
122
50 51 52
157 160
6F
80
O P Q R
113 114
161 162
71 72
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83 84
123 124
53
S T
115 116
163 164
73 77
s
54
35
3 4 5
85
55
75
6
86
ti V
117(1
87 88
127 130
120
39
89
131
58 59
X
(171
7 8 9
118 119
165 166
37 38
U V w
117
36
125 126
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072
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5A
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1
1
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t
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5F
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1
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Hex.
I I hit 7 (hit de paridad) es cero en esta tahla.
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—
t
167
76 77
w
170 171
78 79
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X
7E 7F
D EL
En el caso del sistema binario, la base del sistema de numeración es 2 y se dispone sólo de dos guarismos para re presentar los números, 0 y I. Esto quie re decir que cualquier número superior a I necesitara más de una cifra para ser representado. Los pesos de cada una de las cifras dependerán también de la po sición que ocupen y, análogamente al sistema decimal, tendrán valores 2"= I, 2 —2. 2=4. 2=8. etc. La figura A2.3 muestra, a título de ejemplo, la repre sentación en sistema binario del nú mero 182. La propia figura A2.3 sugiere la for ma de pasar un número binario a sis tema decimal. Si el número binario vie ne representado por el conjunto de bits: tí, B , tí, ... tí„. donde tí„ es el bit de menor peso ( L S B ) y S , el de mayor peso (M S B ), la conversión a decimal obedece a la siguiente fórmula:
OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOÜOOOOO 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X 1 1 1 1 X 1 ] 1 1 1 1 )0 0 O O llllllllllllllllllllllO O 00110000000000000000001100 00110000000000000000001100 00110000000000000000001100 00110000000000000000001100 00110000000000000000001100 00110000000000000000001100 00110000000000000000001100 00110000000000000000001100 00110000000000000000001100
00l i l i l í 111111111111111100 O O llllllllllllllllllllllO O 00000000000000000000000000
Figura 12./. Matriz representando la imagen de un cuadrado. pleados en A S C II para los diferentes caracteres alfabéticos y códigos de control. - Matriz de bits: Este tipo de variables pueden representar distintos tipos de información. Como ejemplo podría mos tomar el de la figura A2.1, don de se ha supuesto que la matriz re presente una imagen captada por una cámara en bl anco y negro (O=blanco, l=negro). En dicha ima gen puede apreciarse claramente un cuadrado.
el caso del sistema decimal son las po tencias sucesivas de diez, empezando por I0"=1 y siguiendo por I0'=I0, 10=100, etc. Se dice entonces que 10 es la «base» del sistema de numera ción. Así, por ejemplo, en el número 555, cada una de los cincos tiene el va lor que se indica en la figura A2.2.
PESO
El sistema de numeración que em pleamos habitualmentc es el decimal o de base diez. Esto quiere decir que dis ponemos sólo de diez guarismos para representar números entre 0 y 9 y que cualquier número superior debe repre sentarse por un conjunto de guarismos o cifras. Obsérvese que al hacer esto los gua rismos tienen distinto valor dependien do la posición que ocupan en el con junto de cifras. Concretamente, cada posición lleva asociado un peso, que en
Podemos realizar también la opera-
Figura A 2.2. Interpretación de los pesos de cada cifra en función de su posición en el sistema decimal.
Obsérvese que los conjuntos de unos y ceros pueden tener distintas inter pretaciones: numérica, alfabética, imá genes, etc., dependiendo del código empleado. En definitiva, la interpreta ción en cada caso debe darla el usuario de la máquina digital en la programa ción de la misma.
A2.2. S IS T E M A D E N U M E R A C IÓ N B IN A R IO
N" D E C IM A L = fl„X2" + B ,x 2'++ 5jX2J + ... -I- B „X 2"
CIFRAS
1 0 2 1 0 1 10° 5
5
6 =
5 -1 0 0
+ 5 '1 0
1--------
V a lo r =
I- 5 - 1
5x 1
-------------------- V a l o r
=
5x10
--------------------- V a l o r
=
5X100
TOTAL
SUMA -
555
Figura A2..1. Interpretación de los pesos de cada cifra en función de su posición en el sistema binario. MSB PES O
*5?
CIFR A S
1
LSB
,0 V a lo r - Oxl V a l o r ~ 1x2 V a l o r = 1x 4 V a l o r - 0x8 v a l o r - 1x16 V a l o r * 1x12 V a l o r » 0x64 V a l o r - 1x128 TOTAL
419
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SUMA
182
N U M ER O
182 : 91 i 45 : 22 : 1 1 : 5 : 2 :
2 = 91 , R e s t o ................................... 0 2 = 4 5 , R e s t o ..............., . . . . . . 1 2 22 ,R e s t o ..................................... 1 2 = 11 ,R e s t o ...................................... 0 2 = 5 , R e sto I 2 = 2 , R esto 1 2 “ 1 , R esto .. 0 1— U ltim o c o c ie n te . . . 1
al minuendo el negativo del sustraendo. Puede comprobarse que si el sustraendo es mayor que el minuendo el resultado aparecerá en complemento a 2.
B IN A R IO
LSB
(B it
menos
s ig n ific a tiv o )
MSB
(Bit
más s i g n i f i c a t i v o )
A2.4. C Ó D IG O BC D La mayoría de usuarios estamos más habituados al sistema decimal que al sistema binario, por ello en algunos ca sos, para mayor comodidad, se repre sentan los números en máquinas di gitales a base de codificar las cifras de cimales en binario, con 4 bits, según muestra la tabla A2.2. Así. por ejemplo, el número 1358 se representaría por el siguiente patrón de bits (se han añadido las separaciones simplemente para comodidad, aunque la máquina manejaría los bits de forma consecutiva):
Figura AI.4. Paso de decimal a binario. ción inversa, paso de sistema decimal a binario, dividiendo el número deci mal sucesivamente por 2 tantas veces como haga falta hasta que el resto de la división sea 1 o 0. E l número binario se forma con los restos sucesivos y el último cociente, éste ocupando la po sición del bit más significativo. La fi gura A2.4 muestra el paso de decimal a binario del número 182.
complemento a 2 del numero. Obsér vese en la figura A2.6 que al sumar un número con su complemento a 2 re sulta 0 (si se trabaja con 8 bits se des precia siempre el desbordamiento, no veno bit). Así pues, parece lógico elegir el complemento a 2 para expresar los números negativos. Este método permite, además, reali zar la operación resta a base de sumar
Figura .42.5. Números negativos: método de mantisa y signo A2.3. N Ú M E R O S N E G A T IV O S EN S IS T E M A B IN A R IO Los microprocesadures son capaces de realizar las operaciones elementales de suma, resta, multiplicación y divi sión de números enteros en sistema bi nario. Las operaciones con decimales y otras operaciones de mayor comple jidad las realizan generalmente a través de rutinas o programas, que utilizan como base dichas operaciones elemen tales. Para ello resulta imprescindible poder codificar también los números negativos en el sistema binario. Podemos imaginar dos métodos de representación para los números ne gativos:
en
b in a rio
=
3 1 1 1 0
1 0
0
0
1 1 1 0
1 0
0
M A N T IS A
--------- S T G N O
“ 116
s ig n o / m a n tisa
. 1 1 1 0 1 0 0
-
+ 1 1 1 1 0 1 0 0
M A N T IS A
--------- S ÍG N O Suma d e
11 6 +
(-116)
..
0
1 1 0
1 0
No d a
0 0
0
--------- S E D E S P R E C I A 9 • BIT
Figura .42.6. Números negativos: método de complemento a 2. 1 16 e n b i n a r i o ...................................... C o m p l e m e n t o a 1 d e 116 ............... (C am bia 0 p o r 1 y v i c e v e r s a ) Sum ar 1 . . . •. ...............
+ co m ple m e nto
a
2 de
4- 1 1 0 o 0 1 1 0 0 116
o o o o o o o o RESULTADO --------------
www.FreeLibros.me
0
o
116
10
o
116
2 de
1 1 1 0
o
Suma d e
a
0
o
Co m p lem en to
i
1 i 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1
0
+
Método de signo/mantisa: Consiste en emplear el mismo patrón de unos y ce ros para expresar un número y su ne gativo y añadir un bit de signo, 0 para números positivos y I para números negativos. Este método tiene el incon veniente de que la suma de un número y su negativo debería dar cero y no da. tal como muestra la figura A2.5. Método de complemento a 2: Para ob tener el número negativo por este mé todo se cambian los ceros por unos y viceversa y a continuación se suma I. El resultado obtenido se denomina
116
SE 9.
0
DESREGLA BTT
CÓOlOOi Y SISTIMAS DI NUMMAGÓN
D EC IM A L
BCD
0
00(X)
PESO
1
0001
CIFR A S
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
8
1000
9
1001
1 f. 1 I b 2 3
A
1b * l b ° 13
5
=
^
V a lo r
= 00005
V a lo r
-
------------------- V a l o r ------------------
-------TOTAL
-
♦ 10x206
♦ llxlb
+ 0x1
0 0 1 7b
0 7 r>b0
V a lo r SUMA
-
12288 15029
Figura 42.7. Interpretación de los pesos de cada cifra en función de su posición en el sistema hcxadecimai
Tabla .42.2. Código BCD.
D ECIM A!
3X4006
BINARIO
H EXA
0
0000
0
1
0001
1
2
0010
2
3
0011
3
4
0100
4
5
0101
5
6
0110
6
7
011 i
7
8
1000
8
9
1001
9
10
1010
A
11
1011
13
12
1100
C
13
1101
D
14
1110
E
15
lili
r
ihla .42.3. Código hcxadecimai.
421
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ANEXO III. AUTÓMATAS Y REDES COMERCIALES A3.I. IN F O R M A C IÓ N A lo largo del texto se han estudiado los conceptos generales de configura ción, lenguajes de programación y pres taciones de autómatas y redes de co municación industriales. Respecto a este último punto ya se indicó que, a finales de la década de los ochenta y principios de los noventa, se ha dado un gran paso en la normalización de las comunica ciones con vistas a obtener cada vez un mayor grado de «compatibilidad» entre productos de diversos fabricantes. No obstante, quedó patente que la tarea de normalización ha sido, en general, pos terior a la aparición de las necesidades y por ello muchos fabricantes disponen aún hoy de soluciones concebidas al margen de la normalización. Por ello, el parque de autómatas y redes actual mente en funcionamiento está basado muchas veces en soluciones propias de cada fabricante. Dado el carácter práctico y útil para el usuario que pretendemos dar a esta obra, hemos creído que no podia faltar un resumen de los productos que ofre cen diferentes marcas con fuerte pre sencia en el mercado, indicando sus prestaciones básicas y posibilidades de comunicación. A causa del dinamismo que sufre este campo, somos conscientes de que al in troducir estos datos, este anexo puede quedar rápidamente obsoleto, pero aun asi dará una visión del estado de la téc nica en el momento de publicación del libro. Los datos contenidos en las siguien tes tablas han sido pedidos a los propios fabricantes o distribuidores nacionales de las distintas marcas y en muchos ca sos completados con información de los mismos. De todas formas deseamos re sallar de forma expresa que el orden de las tablas o la no mención de alguna marca no debe interpretarse como jui cio de valor en cuanto a su mayor o menor prestigio o idoneidad para su aplicación; por ello las marcas se han
colocado por orden alfabético Aunque el cuestionario a las distintas marcas fue común, la diversidad de configuraciones, la falta de una terminología uniforme y el distinto nivel de detalle en las res
puestas de cada uno hacen que los re súmenes puedan contener conceptos prácticamente idénticos bajo denomi naciones distintas o que algunas tablas puedan contener mayores detalles.
Tabla A.1.1.1 Autómatas AEC-MODU'ON: Serie Micro. M ic r o CPU 311 M ic r o CPU 411
M ic r o CPU 512 M ic r o CPU 612
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BO lEA NO VELO CIDAD ( m s / l k i n s t r )
Com pacto 16 NO 4 ,2 5
C o m p a c to *E x p . 16 NO 2 .5
MEMORIA DE PROGRAMA T ip o s
<----------
T IP O
hit N'
hCt O U H Ii TC la
(1 ) <2>
1 kw ord
2 kw ord R A M + b a t e r ía , F le s h P R O M ................... i
....
1 UT C D U nC INJfcKIfU S
R E G IS T R O S INTERNOS D a to s T e m p o r tz . ♦ C o n t a d o r e s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s (S t a t u s )
Rack
iU c4
, C c / S * in t e r n o s )- - • • —
400 w o r d SI Todos SI
-■
1820 w ord SI Todos SI
N* MAX E / S : MOOULO BA SE D ig it a le s A n a ló g ic a s U N ID A D ES DE EXPA N SIO N D ig ita le s (E ,S / s lo t ) A n a ló g ic a s ( E . S / s l o t ) E / S r e m o ta s
16E+12S 2E R á p id a s ( 2 ) NO NO NO
256 16E+12S 2E R á p id a s 4E»2S (2 ) 15 s l o t s S E R I E A - 120 16E o 16S p o r s l o t 4E o 8S p o r s l o t SI
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n t a d o r r é p id o T e rm o p a re s P o s ic io n a m ie n t o e j e s T e r m in a l i n d u s t r i a l
NO NO NO NO
max 500 k M z (T T L ) NO SI SI
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a d e in s tr u c c io n e s SI D ia g r a m a d e c o n t a c t o s GRAFCET A lt o n iv e l PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC S o f t m o n it o r t r e a l P r o g . m anual
Si SFC d i s p o n i b l e p o r s o f t -------- > B l o q . f u n c ió n en HC "
SI SI SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S B á s ic a s Avanzadas
St SI SI St -Coma f l o t a n t e
16 y 32 b i t s -
FU N C IO N ES E S P E C IA L E S In te r r u p c ió n Pro g ra m ad o r c í c l i c o R e g u la d o r e s P ID R e lo j c a le n d a r io O tra s
5 1 (2 ) <................ NO S I <2) « - C o n tro l
CONEXION PROGRAMAOOR
R S-485
RS-485
CO M UN IC ACIO N ES: C P U - LIN K N iv e l f ís ic o C o n e c to r
max 5 CPUs R S-485 T e l e f ó n i c o R J1 1
max 5 CPUs RS-485 T e l e f ó n i c o R J1 1
BU S DE CAMPO N» C a n a le s N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo N iv e l a p lic a c ió n
(m ax 2 4 7 n o d o s ) 1 ( e n mod b a s e ) RS-485 MQOBUS/ASCI l P r o p io
(max 247 n o d o s ) 2 ( e n mod b a s e ) RS-485 M O O BUS/ASCIl P r o p io
LAN
NO
NO
SI D i s p o n i b l e p o r s o f t ......................... > SI SI a la r m a s / c o m u n ic a c io n e s MOOBUS*>
N O T A : L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n lo s d is tin to s tip o s p a ra lo s q u e e t d a to e s vá lid o
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AUTÓMATAS Y R I D II C O M IR C IA U t
COHPACT 984/ P C -A 9 8 4 -120
COHPACT 984/ P C -A 9 8 4 -130 PC-A984-131
COHPACT 9 84/ PC - A 9 8 4 - 140 PC -A 9 8 4 -K 5
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEAMO VELO CIDAD ( m s / l k i n s t r )
M o d u la r 16 NO 5
M o d u la r 16 NO 5
M o d u la r 16 NO 5
MENORIA OE PROGRAMA T i pos
1 ,5 k w ord
O)
(?)
N« DE B I T S
INTERNOS
1920 w ord SI Todos SI
N* MAX E / S : MOOULO B A S E U N I0 A D E S DE E XPA N SIO N D ig ita le s (E ,S / s lo t ) A n a ló g ic a s ( E , S / s l o t ) E / S r e m o ta s
256 < -- <— <--SI
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n ta d o r r á p id o T e rm o p a re s P o s ic io n a m ie n t o e j e s T e r m in a l i n d u s t r i a l
< < < < <
1920 w o rd
SI
256
256
SI
--> ->
SI
SI
SI
SI SI SI
SI SI SI
SI SI
Tabla A3.1.3. Autómatas AEG-MODICON: Senes 904-3851485/685 '* '
SI SI SI
16
y 3 2
b its -
SI
SI
<...............................D i s p o n i b l e p o r s o f t ...................... NO SI SI
SI <
SI
C o n tro l
SI
a la rm a s / c o m u n ic a c io n e s MOOBUS-RS-485-
---max 5 C P U s ---- • --R S -4 8 5 .............. - T e l e f ó n i c o R J 11........................—
1
max 2 4 7
2
n o d o s .................................................>
2
-M008US/ RTU o A S C I I P r o p io
P r o p io
NO
NO
P C - £984-480 PC -E9 B4-48 5
P C - E 9 8 4 -685
CONSTRUCCION N* B I T S CPU VELO CIDAD ( m s / l k í n s r r )
M o d u la r 3
M o d u la r
-
M o d u la r 1
MEMORIA DE PROGRAMA T ip o s
16 kword
< ....................
R E G IS T R O S INTERNOS T e m p o r iz . ♦ C o n t a d o r e s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s ( S t a t u s )
2 k SI Todos SI
2 k SI Todos SI
10 k SI Todos SI
3 2 /6 4
N* MAX E / S : MODULO BA SE U N ID A D ES DE EXPAN SIO N D ig it a le s (E . S / s lo t ) A n a ló g ic a s ( E , S / s l o t )
512
2048
8192
65535
(1 ) <2)
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n t a d o r r á p id o T e rm o p a re s P o s ic io n a m ie n t o e j e s T e r m in a l i n d u s t r i a l
<........................................ R S - 4 8 5 ....................................................... >
P r o t o c o lo
PC-E984-385 PC-D9B4-385
T IP O
SI
-Coma f l o t a n t e
CO M UN IC ACIO NES: C P U - L IN K N iv e l f ís ic o C o n e c to r
LAN
Tod os
SI
SFC d i s p o n i b l e p o r s o f t ----------B lo q u e s f u n c i o n a l e s p ro g r a r n a b le s e n "C O
CONEXION PROGRAMADOR
N iv e l a p lic a c ió n
SI
Tod os
- S E R I E A - 12 0 .......................... -max 500 k H z ( T T L ) - ...................
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S B á s ic a s A van za d os
B U S 0E CAMPO N* C a n a le s N iv e l f ís ic o
1920 w o rd
SI
- H a s ta 18 s l o t s , E / S S E R IE A-12016E o 1 6 S p o r s l o t ..................... 4E o B S p o r s l o t ........................ SI SI
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a de in s tr u c c io n e s D ia g r a m a d e c o n t a c t o s GRAFCET < A lt o n iv e l <
FU N C IO N E S E S P E C IA L E S In te rr u p c ió n Pro g ra m ad o r c í c l i c o R e g u la d o r e s P ID R e lo j c a le n d a r io O tra s
8 k w ord P la s h P R O H ..........
-1024 ( E / S + in t e r n o s ) -
R E G IS T R O S INTERNOS D a to s T e m p o r iz . ♦ C o n t a d o r e s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s (S t a t u s )
PROGRAMACION , d e s d e PC m o n it o r t r e a l . m an ual
4 k w o rd R A M * b a t e r ía ,
MODBUS P L U S ( 2 ) P r o p io
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC S o f t m o n it o r t P r o g . m an ual
Tabla 41.1.2. Autómatas AEG-MODICON: Serte Compact 984.
real
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S B á s ic a s Avanzadas
»> 3U‘ »*
1
3 2 /4 5 1 -0 r 16 kw ord 16 k w ord - R A M ^ b a te r la , Flash PR O M - ............ .. •’
S! SI
<...................
— S E R IE 800 ............................................ -max 500 k H z ( T T L ) ................................... T ip o s B , E , J , K , R , S , T , N 0 PT 1 00 -
SI
si
SI
si
SI
n
S F C d i s p o n i b l e p o r s o f t .............. B lo q u e s f u n c i o n a l e s p ro g r a r n a b le s en "C * -
SI SI SI
SI St SI
S!
SI
SI SI SI
SI 16 y 32 b i t s -
SI
SI SI SI SI < ...................... D i s p o n i b l e p o r s o f t ...................... NO SI SI SI SI SI SI SI < C o n t r o l a la r m a s / c o m u n ic a c io n e s MODBUS
CONEXION PROGRAMADOR
-RS-485 o RED-
B U S DE CAMPO N* C a n a le s N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo N iv e l a p lic a c ió n LAN
423
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•>
SJ Si SI
FU N C IO N ES E S P E C IA L E S In te rr u p c ió n P ro g ra m ad o r c í c l i c o R e g u la d o r e s P ID R e lo j c a le n d a r io O tra s
CO M UN IC ACIO NES: LO C A LES S o p o rte
fe
Tocto J
«MAX. 2 RACKS LO CALES Y 12 REMOTOS, E / S S E P : E S C O < ............ - ........... 8 A 32 E / S p o r s l o t - - ............................. ---------- 4 o 8 E o 4 S p o r s l o t - - — - ......................-
LE N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a de in s tr u c c io n e s D ia g r a m a d e c o n t a c t o s GRAFCET A lt o n iv e l
N O T A : L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n lo s d is tin to s tip o s p a ra lo s q u e e l d a to e s v á lid o •
3
T :
y
« - - I n t e r f a c e s c o n b u s e s IS A , E I S A , VME Q BUS---> « S is t e m a s o p e r a t i v o s DO S, O S / 2 , HP-UX , U N IX , VMS>
<...........................mex 247 n o d o s .................. 2 2 2 < ................................. - - - R S - 4 8 5 ............................. «---MODBUS/ RTU O A S C II , MODBUS P LU S P r o p io P r o p io P r o o io MOONEI 2 V 3 (MAP V p a s a r e l a ETHERNET-
labia .43.2.1. .4"tomatas AEEISA: Serie Mida.
T IP O
M IDA-40
M ID A -24
M IDA-44
MIDA 80
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO VELO CIDAD ( m s / 1 k i n s t r )
Com pacto 8 NO 32
Com pacto 8 NO 65
C o rp a c to 8 NO 32
C o m pacto 8 NO 65
MENOR IA RAM i n t e r n a M e m o ria P ro g ra m a T ip o s
256 b y t e s 2 kb
8 kb 6 kb
8 kb 6 kb
8 kb 6 kb
M* OE B I T S
200
1000
500
1000
8 8 Todos 100
48 48 lo d o s 350
48 48 Todos 350
48 48 Todos 350
INTERNOS
R E G IS T R O S INTERNOS T e rp o r i za d o re s C o n ta d o re s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s N» MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e Mód b a s e + E x p a n s io n e s O tro s
8 32 <----
N« MAX E / S ANALOGICAS M ó d u lo b a s e
8
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S T e r m o p a re s E n co d e rs G a lg a s e x t e n s .
NO NO NO
!6 £ * 8 S - T e c la d o + D ís p la y
NO NO NO
3 E*1 S
1 6 E*3 S
SI SI
NO NO NO
SI
SI SI ............................. S o f t w a r e PCNO NO NO NO
SI <----
SI In c lu id o
COM UNICACIONES N» c a n a l e s N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo N iv e l a p lic a c ió n
H i n i P L C - 2 / 0 2 - L 2 ,- L 2 P M in i P L C - 2 / T 6 - L X ,- L X P M in i P L C - Z / 1 7 LW ,-LW P
P L C - 2 / 2 0 - L 2 ,- L Z P P L C - 2 / 3 0 - L X ,- L X P
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO COPROCESADORES V ELO CIO AO ( m s / U c í n s t r )
Rack
12
R a ck 16 NO NO 5
MEMORIA DE PROGRAMA (k w o r d ) T ip o s
2(1 ) , 4 (2 ) , 7 ,75(3)
8 (1 ) , 16(2)
SI
N* DE B I T S
1 9 2 0 (1 ) 7 8 0 8 (3 )
Bus ca rp o max 3
R E G IS T R O S INTERN OS Teap ♦ C o n ta d o re s R e g . D e s p la z a m ie n t o
T IP O
(1 3
( 2)
NO NO
S! en u n id a d b a s e
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S BCD FU N C IO N ES E S P E C IA L E S P ro g r. c íc lic o s R e lo j in t e r n o
Tabla A3.3.2. Autómatas ALLEN BRADLEY: Serie PLC-2.
(3 )
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a in s tr u c c io n e s SI D ia g r a m a c o n t a c t o s < ---GRAFCET NO A lt o n iv e l NO PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC P r o g . m an ual
1 2 E*1 2 S 32E+36S 16E+16S i n c l . e n u n id a d b as e -
-ComB f l o t a n t e -
SI
SI
NO
NO
B u s campo
1
SI
S! NO
B u s campo
1
Bu s
1
-R S- 23 2 , R S - 4 2 2 , RS-485 P r o p i o ..........................
INTERN O S
N* MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e E x p a n s io n e s <1Rack= TMod b a s e ) N* MAX E / S ANALO GICAS (1 6 b i t » )
T IP O
(1 )
SLC -5 0 0 -L2 0 SL C -5 0 0 -L3 0 SlC - 5 0 0 - 1 4 0
SLC -5 /0 1 -1 5 1 1 SLC -5 /0 1 -L5 1 4
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO V ELO CID AD ( m s / l k i n s t r )
C om pacto e NO 8
R a ck 8 NO 8
M EMORIA DE PROGRAMA T ip o s
1 k b y te 1 a 4 k b y te 4 k b y te <-* R A M + B a te r la , EPR0M , EEPROM (8 k y 3 2 k )- - >
N* 0 E B I T S
<- C o n f i g u r a b le s s e g ú n m em oria d i s p o n i b l e
->
<•
->
<2) (3 )
INTERN OS
R E G IS T R O S INTERNOS Temp ♦ C o n t a d o r e s R e g . D e s p la z a m ie n t o
C o n f i g u r a b le s
s e g ú n m em oria d i s p o n i b l e NO
2 0 (1 ) a 4 0 (3 ) 1 R a ck 1 6 E *1 6 S
256 3 R a ck <----E / S
N* MAX E / S ANALOGICAS (1 6 b i t s )
4
96
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S
M ó d u lo s S e r i e 1746 (E / S , C o n tro l
L E N G U A JE S 0E PROGRAMACION L i s t a in s tr u c c io n e s NO D ia g r a m a c o n t a c t o s SI GRAFCET NO A lt o n iv e l APS PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC P r o g . m anual T e r m in a l I n d u s t r i a l S o ftw a re
480 3 lo c * 4 rem o t i n t e l i g e n t e s ............. >
1746 •->
C o m u n ic a c io n e s )
NO « ---NO
SI
, co n
CONEXION PROGRAMADOR
1747-DCM
COM UNICACIONES N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo N iv e l a p lic a c ió n
Bus ca rp o .............. RS-485 P r o p io P r o p io
NO in t e r f a c e NO 1747-DCM
S o ftw a re
FU N C IO N ES E S P E C IA L E S P ro g . C íc lic o s In s t r . a r c h iv o y ló g ic a s R e lo j S u b r u tin a s P IO CONEXIO N PROGRAMADOR COM UNICACIONES N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo N iv e l a p lic a c ió n
NO SI NO SI
SI SI SI SI SI SI <.............. T53, T60 c o n u P 386 o 48 6 .............. > ( C o m p a t ib le s MS DO S, SCO U n ix , N o v e l l , O S / 2 ) « - C o n t r o l v ie w P a n e l B u i l d e r , AB EC O S, IM C -> SI
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC P r o g . m an ual T e r m in a l I n d u s t r i a l
, 3 9 6 8 (2 )
1 2 9 6 (1 ),
SI
4 8 8 (2 )(3 )
< C o n f ig u r a b le s e g mem oria>
< C o n f ig u r a b le s e g m emoria> < C o n f ig u r a b le s e g m em o ria »
128 a 512 4 Racks
1792E+1792S 7 Racks lo c a le s ♦ 14 R a c k s re m o to s
256
1792
A lg u n o s m ód u los d e ( b s e r i e 1771 ................. ( E / S , C o m u n ic a c io n e s , T r a n s f e r e n c i a b lo q u e s )
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S
96
NO SI NO SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S S I FU N C IO N ES E S P E C IA L E S R e g u la d o r e s P IO C o n tro l de e je s R e lo j in t e r n o
NO
«-- 40 m ód u los s e r i e de e je s .
< - R A M * b a t e rla , EEPR0M-> < - - - R A M + b a te r l» --->
L E N G U A JE S OE PROGRAMACION D ia g r a m a c o n t a c t o s GRAFCET A lt o n iv e l
R ack 8 NO 4 .8
NO
N ' MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e E x p a n s io n e s
S L C - 5 /0 2 - L 5 2 4
16
NO NO
SI NO ........................................B A S I C .........................- .......................
SI
SI
SI
SI
< .............1 4 , T 5 0 , T 5 3 , T60 c o n r P 386 o 48 6 ............. > ( C o m p a t ib le s MS-DOS. U n ix , N o v e l l , O S / 2 ) < ------C o n t r o l v ie w , P a n e l B u i l d e r , AB EC O S, IM C — » B I N , BCO 6 d i g i t SQ RT, S I N , COS. LOG F U N C .E S T A D IS T IC A SI SI SI SI S ó lo
(3 )
sí SI S !(2 ) S I (2 ) S I (2 ) NO
D a t a H ig h w a y P l u s
DH* 485
B u s de campo B u s d e campo <---- R S - 4 8 5 ,. R S-2 3 2 / 422 ./ 423 c o n f i g u r a b l e - -.................................. C o n f ig u r a b le <— -------- P r o p i o — ........................................ ........... .... -»
N O T A L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n lo s d is tin to s tip o s p a ra io s q u e e i d a to e s v á lid o
SI SI i n t e l i g e n t e ............ > SI 1747-SN
B u s campo B u s campo o R S-2 3 2 o p c io n a l ......................» P r o p io P r o p io P r o p io P r o p io
N O T A : L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n lo s d is tin to s tip o s p a ra io s q u e e l d a to e s v á lid o
Tabla .43.3.1 Autómatas ALIEN BRADLEY SLC-500. SLC-5/01 y 102
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T IP O
(1 (2 (3 (4 (5
) ) ) ) )
PLC - 5 /1 0 - L T 4 P LC - 5 /1 2 IT 3 P LC -5 /1 5 -LT P LC - 5 /2 5 - L1 2
PLC-5/11-H 1 P L C 5 /2 0 L20 PLC -5 /3 0 -1 3 0 PLC 5 /4 0 . L40. P L C - 5 / 6 0 .- L 6 0 .
PLC-5/VME PLC -5 /4 0 -V 4 0
PLC -5 /2 5 0 -LP1 /8 PLC -5/250-LP2/B PLC -5 /2 5 0 -LP3 /B P L C - 5 /2 5 0 - LP 4 /8
PLC -3/10-LP P L C -3 -1 3
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO COPROCESADORES VELO CIDAD ( m s / l k i n s t r )
Rack 16 NO NO a
Rack 16 SI NO z
R ack 16 SI NO 8 (1 ).
R a ck 32 SI H a s t a 4 CPU 2
R a ck 16 SI Coma f l o t a n t e 2 ,5
MEMORIA DE PROGRAMA (k w o r d )
6 (1 )( 2 ) 6 a 14 ( 3 ) 13 a 21 ( 4 )
8 (1 ) , 3 2 (3 ), 6 4 (5 )
2 5 6 ( 1 ) , 5 1 2 (2 ) 1 0 2 4 (3 ), 2 0 4 8 (4 )
1 2 8 (1 ) 1920 a 3840 ( 2 )
1 6 (2 ) 4 8 (4 )
------ •
T ip o s
O p c .6 4 k EEPROM N ' DE B I T S
INTERN OS
C o n f i g u r a b le s s eg ú n
R E G IS T R O S INTERNOS Temp ♦ C o n t a d o r e s R e g . D e s p la z a m ie n t o
SI
N* MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e
512
E x p a n s io n e s (1 R ack= 1 M o d b a s e )
2 (2 )
1 4 (1 ), 4 8 (2 ) ♦ 5 kORAM VME ( 1 ) 64 kDRAM VME ( 2 ) . EPROM, EEPROM RAM d m a m ic a VME
ia
•* C o n f i g u r a b le s s e g ú n C o n fig u r a b le ? p o r u s u a r io
SI
A Racks 16 R a c k s ( A ) E / S Rem oras (2 )(3 )(A j
5 1 ?E * 5 1 2 S 1 0 2 4 £ *1 0 2 4 S (3 ) 2 0 4 8 € * 2 0 4 8 S (4 ) 3 0 4 2 E*3 0 4 2S< 5 ) A a 24 R a c k s
d is p o n ib le
ia d is p o n ib le SI
512E+512S ( 1 ) 1 9 2 0 E*1 9 2 0 5 (2 )
A Racksd) 15 R a c k s ( 2 ) ................... E / S
x - R A M + b a te r la > O p c .6 A k EEPROM
<10 . 000 * 10 .oon>
SI
A09 6 E*A 0 9 6 S
2 0 48E+ 2046S ( 1 ) 4 0 9 6E*4096S ( ? )
32
3 Rack
Rem otos
N* MAX E / S ANALO GICAS (1 6 b i t s )
256 512 ( 3 ) 1024 ( A )
IN T E R FA C ES E S P E C IA L E S
<-A lg u n o s 1771-> <..................................90 m ó d u lo s d e l a s e r i e 1771 d i s p o n i b l e s ........................ .. ( E / S , C o n t r o l e j e s y m o to r e s P a P , C o m u n ic a c io n e s . < - E / S , Com unic-> S e r v o s , P I D , i n t e r f a z B A S IC , A S C I I , i n t e r f a z a OM-465, C o n ta d o re s r é p íd o s , C o p ro ce sa d o re s de c o n t r o l, e t c . ) 'I B M A T *M A P »D H ll>
512 0 X 2 X 5 ) 1024 ( 3 ) 2048 ( A )
L E N G U A JE S 0E PROGRAMACION D ia g r a m a c o n t a c t o s SI GRAFCET A lt o n iv e l <- PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC P r o g . m a n ual T e r m in a l I n d u s t r i a l
SI SI < -•
S o ftw a re
<--
SI SI 51 SI SI SI ................................................. T 5 3 , T60 c o n MP 386 o 486 ----( C o m p a t ib le s co n MS-DOS, SCO U n ix , N o v e l l , O S / 2 ) ........................... C o n t r o l v i e w , P a n e l B u i l d e r , AB EC O S, IMC
SI
SI
P r o t o c o lo N iv e l a p lic a c ió n
SI
S u b r u t i n a s , R e g u la d o r e s P I O , C o n t r o l d e e j e s G e s t ió n d e f i c h e r o s . R e l o j i n t e r n o , o t r a s —
CONEXION PROGRAMADOR COM UNICACIONES N iv e l f í s i c o
4096 8192
SI SI SI O r g a n ig ra m a s d e c o n t r o l s e c u e n c i a l p r o p io s ............................... B A S IC y C ...........................................
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S S I FU N C IO N ES E S P E C IA L E S
1 0 2 4 (1 ) 2 0 4 8 (2 )
D a ta B u s de canpo
B u s d e campo R S- 4 8 5 ,
M ighw ay P l u s
SI NO <—
(1> (2 )
GA B A S IC -
SI NO
<-Come f l o t a n t e - » < M a te m ó tic a s a v . » < * - - S tto ru t in a s- - > «- -F i c h e r o s >
DH* 485
B u s d e canpo/VM E B u s d e campo/LAN R S-2 3 2 / 422 / 423 c o n f i g u r a b l e <— B u s VM E---» < ETHERM ET*MAP* mV AX»< M AP > -— *-— > C o n f i g u r e b le — . . . . . . . ------------------ . . . . . . . . . . . — > — P r o p i o ----
N O T A L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n lo s d is tin to s tip o s p a ra to s q u e e ! d a to e s v á lid o
Tabla A3.3.3. Autómatas ALLEN BRADLEY: Senes PLC-5 y PLC-3.
425
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AUTÓMATAS
E D IT E L - 3 0 0
MPB-301 MPB-302
MP8-303 MPB-304
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO COPROCESADORES V ELO CIDAO ( m s / l k i n s t r )
Com pacto 16 NO NO 4
M o d u la r 16 NO 1 CPU aux 5
M o d u la r 16 NO 4 CPU aux 3
MEMORIA B A S IC A EPROM RAM EEPROM
128 kb 64 kb 32 kb
32 kb 16 kb 2 k b (1 ),8
T IP O
(1 ) (2 )
_
M EMORIA A U X IL IA R EPROM RAM E x p a n s ió n RAM N* DE B I T S
64 kb 24 kb k b (2 )
64 kb 16/32 kb 512 kb
64 kb 16/32 kb 512 kb
R e g is t r o s de d a to s
INTERNOS
R E G IS T R O S INTERNOS T e m p o r iz a d o r e s ( B a s ) T e m p o r iz a d o r e s ( E x p ) C o n ta d o re s (B a s ) C o n ta d o re s (E x p ) D a to s ( 1 6 b it s ) C o n s ta n te s
2048 8192
N ' MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e E x p a n s ió n E E x p a n s ió n S
120 16E+16S 64 *
N* MAX E / 5 ANALO GICAS M ó d u lo b a s e E x p a n s io n e s E E x p a n s io n e s S
16E+16S 64 -
6 4 (1 ),1 2 8 (2 ) 128 6 4 (1 ),1 2 8 (2 ) 128 2 5 6 (1 ),1 0 2 4 (2 ) NO
128
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n ta d o re s r á p id o s • P r o c e s a d o r e s c o m u n ic . • C o n t r o la d o r e s P ID • C o n tro l e je s
1 2 8 (1 ),2 5 6 (2 ) 128 1 2 8 (1 ),2 5 6 (2 ) 128 1 0 2 4 (1 ),2 0 4 8 (2 ) 8192
2 2 4 (1 ),1 0 2 4 (2 )
1 0 2 4 (1 ),2 0 4 8 (2 )
16 o 32 8 . 16 o 32
16 o 32 8 , 16 o 32
NO NO
SI
SI SI SI
SI SI SI SI
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a in s tr u c c io n e s SI SI SI D ia g r a m a c o n t a c t o s SI SI SI GRAFCET NO NO NO < E L I B A S E :M ó d u lo s f u n c i o n a l e s ( P r o p i o ) A lt o n iv e l M u í t ip r o g r a m a c i ó n 3 n iv e le s 4 n iv e le s 5 n iv e le s PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC P r o g . m anual S o ftw a re
SI SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S B á s ic a s A vanzadas
COMUNICACIONES N» c a n a l e s N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo N iv e l a p lic a c ió n
SI
SK2) SK2)
SI NO NO NO Bus i 3
Tabla A3.5.I. Autómatas GE-FANVC: Micro y Serie 90-20.
SI SI -U0P-PC d e s a r r o l l o d e p ro g ram a s _ . . . - STS-3 0 0 0 T e r m in a l de e x p l o t a c i ó n — PC T EL S u p e r v i s i ó n y c o n t r o l en t r e a l-
p(0
<
FU N C IO N ES E S P E C IA L E S R e lo j c a le n d a r io D i r e c e , in d e x a d o M a n e jo d e T a b la s C o n tro l p e r if é r ic o s
SI
S I (2 ) S I (2 ) NO
SI
''
SI Coma f l o t e n t e < 2 )
SI SI SI SI
B u s campo B u s cao*x> rrvsx 2 max 4 R S - 2 3 2 ,R S - 4 8 5 ............................. < F ib r a ó p t i c a , B u c l e c o r r , I -RED E L I ME T ( P r o p i a ) ...................... P r o p i o ..........................................
N O T A : L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n lo s d is tin to s tip o s p a ra lo s q u e e l d a to e s v á lid o
Tabla A3.4.1 Autómatas EUQP: Serie 3000.
T IP O
MICRO
S E R I E 90-2 0 Mod 211
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO V ELO CID AD (m s/1 k i n s t r )
Com pacto 8 b its NO 6 ms/k
C om pacto 8 b its NO 18 ms/k
MEMORIA DE PROGRAMA T ip o s
2 k b y te s 2 k b y te s < - R A M * b a te r(a , EPROM , EEPRO M ->
N< DE B I T S
1024
1024
R E G IS T R O S INTERN O S T e m p o r iz . + C o n t a d o r e s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s (b y t e s )
512 SI 512
128 SI 512
N * MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e Mod. b a s e ♦ E x p a n s io n e s
14 28
NO
INTERNOS
N* MAX E / S ANALOGICAS
NO
NO
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n t a d o r r á p id o
NO
SI 10 kHz
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t B de in s tr u c c io n e s D ia g r a m a d e c o n t a c t o s GRAFCET A lt o n iv e l
SI SI NO NO
SI SI NO NO
PROGRAMACION 0 E S 0 E PC
SI
SI BCD e n t e r o s ............ >
O PER A C IO N ES A R IT M E T IC A S
www.FreeLibros.me
?a
FU N CIO N ES E S P E C IA L E S P ro g ra m ad o re s c í c l i c o s R e g u la d o r e s P ID R e lo j in t e r n o O tra s
NU NO NO NO
SI SI NO NO
CONEXION PROGRAMADOR
RS-232
R S-4 8 5
COMUNICACIONES N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo N iv e l a p lic a c ió n
NO -
B u s d e campo R S-485 P r o p io S o ftw a re lo g i e m a s t e r 90
AUTÓMATAS 1 R BD IS C O M IR C IA U S
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P S3 1 6
620- 2
620-13
620-16
62 0 -2 6 620-36
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO VELO CIDAD ( m s / l k i n s t r )
R ack 8 SI 0 ,5
R ack 32 SI 2 ,8
Rae le 32 SI 2 .8
Rack 32 SI 2 .8
R a ck 32 SI 2 .8
MEMORIA RAM i n t e r n a T i pos
Reg.8D> t s 64 k 2k
24 b i t s 8k
32 M 2 )
T IP O
(1 ) (2 )
R e g is t r o s
3840
3584
3072
192 64 64 2048
256 256
2048 2048
2048 2048
2048 2048
256
2048
2048
2048
N* MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e M ód. b a s e * E x p a n s i o n es
256 2032
256 256
256 512
256 1024
256 2048
N 1 MAX E / S ANALOGICAS M ó d u lo b a s e M ód. b a s e * E x p a n s i o n e s
27
128 128
128 512
128 1024
128 2048
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S
Si
SI
SI
SI
SI
NO SI
NO SI
NO SI
NO
NO
NO
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI SI
SI SI SI
SI SI SI
SI SI SI
N» DE B I T S
INTERNOS
R E G IS T R O S INTERNOS T e m p o r iz a d o r e s C o n ta d o re s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s
LE N G U A JE S OE PROGRAMACION NO L i s t a in s tr u c c io n e s SI D ia g ra m a c o n t a c t o s SI SI GRAFCET « S o f t PC> NO A lt o n iv e l NO
Tabla .13.7.1. Ialómalas KLÓCKNER HÓELLER: PS3. PS3U6. PS4-I0I/20I/40I. PS3
P S3 0 6
PS4-101 PS4-201
PS4 -4 0 1
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO V ELO CIDAD < m s/ 1 k in s tr>
C om pacto 8 SI 2 ,5
C o n p a c to 8 SI 0 ,5
Com pacto 8 SI 0 ,5
C o m p a cto 16 SI 0 ,5
MENORIA ( k b y t e s ) RAM i n t e r n B P ro g ra m a T ip o s
3 .6 64 16 1k i n s t r
3 ,6 (1 ), 3 ,6 (1 ),
N* DE B I T S
576
-
T IP O
(1 ) (2 )
INTERNOS
2000
COMUNICACIONES N iv e l f ís ic o B u s Campo
-
192 64 64 2048
3 2 ( 1 ) , 1 9 2 (2 ) 3 2 (1 ), 6 4 (2 ) 3 2 (1 ). 6 4 (2 ) 2 0 4 8 (2 )
N» MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e M ód . b a s e + E x p a n s i on es
32 128
32 288
1 4 ( 1 ) , 1 1 0 (2 ) 103 2 3 0 ( 1 ) , 4 4 6 ( 2 ) 439
N» MAX E / S ANALOGICAS M ó d u lo b a s e M ód. b a s e + E x p a n s io n e s
5 20
5 45
3 (2 ) 2 7 (1 ),
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S
NO
SI
SI (2 )
SI
SI SI
SI SI
SI SI
NO
NO
NO
FUZZV
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
O PER A C IO N ES A R IT M E T IC A S SI B á s ic a s NO A vanzadas
SI NO
SI NO
SI SI
FU N CIO N ES E S P E C IA L E S P r o g . C f e l ic o s R e g u ia d o r e s P ID C o n tro l de e je s R e lo j in t e r n o O tra s
SI SI SI SI NO
SI SI S I (2 ) SI NO
SI SI SI SI FUZZY
A lt o
n iv e l
NO NO NO SI NO
N iv e l
a p lic a c ió n
SI RS-485
SI 51 RS-485 RS-485 -SUCONET K1 o K2 ( P r o p i o ) < P r o f i b u s (2 )> P r o p io
« B lo q u e s
f u n c ió n .
M a t r ic e s ,
e tc >
1 Canal
192 64 64 2048
R ed L o c a l N iv e l a p lic a c ió n
*
P r o p io
N O T A : L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n io s d is tin to s tip o s p a ra io s q u e e l d a to e s v á lid o
Tabla A3.7.2. Autómatas KLÓCKNEH HÓELLER: PS3I6 »>Serie 620.
9 33
CONEXION PROGRAMADOR COMUNICACIONES N iv e l f ís ic o B u s Campo
SI SI SI SI
<---------- IM T ER B U S S - ~
32 32 32 32
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC P r o g . m an ual
FU N CIO N ES E S P E C IA L E S P ro g . C íc lic o s R e g u la d o r e s P ID C o n tro l d e e je s R e lo j in t e r n o O tra s CONEXION PROGRAMADOR
R E G IS T R O S INTERN OS T e m p o r iz a d o r e s C o n ta d o re s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a in s tr u c c io n e s SI D ia g ra m a c o n t a c t o s SI
SI SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S B á s ic a s S! A vanzadas NO
3 2 (2 ) 32 3 2 (2 ) 32
3 3 (2 )
PROGRAMAC1ON P r o g . d e s d e PC C o n s o la
SI R S-4 8 5 « P r o f ib u s >
N O T A : L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n lo s d is tin to s tip o s p a ra lo s q u e e l d a to e s v á lid o
429
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430
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AUTÓM ATAS Y M D K S C O M IR C IA LIS
T IP O
S5-101U
CONSTRUCCION N» B I T S CPU VELO CIDAD ( m s / k i n s t r )
Com pacto
M EMORIA DE PROGRAMA T ip o s
2 k b y te s
2 k b y te s 4 k b y te s 20 k b y t e s RAM/EPROM/EEPROM ..............................
512 SI
1024 SI
1024 SI
16 SI
SI
16*16
32*32
N* MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b e s e M ód. B a s e ♦ E x p a n s io n e s
4 0 E *2 4 S No A m p lia b le
128
N» MAX E / S ANALOGICAS M ó d u lo B a s e E x p a n s io n e s
NO NO
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n t a d o r e s r á p id o s E x p c o m u n ic a c io n e s R e g u la c ió n O tra s
NO NO NO NO NO
N * MAX E / S
N» DE B I T S INTERNOS V a r ia b le s B i t s s is te m a / e s ta t u s R E G IS T R O S INTERNOS T e e p o r iz . ♦ C o n ta d o re s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s
Tabla 419.1. Autómatas SIEMENS: S5-90U, S5-95U y 95F. T IP O
(1 ) (2 )
S5-90U
S5-95U S5 - 9 S F
CONSTRUCCION N» B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO VELO CIDAD ( m s / k í n s t r )
Com pacto SI 2 a 5 ms
Com pacto
MEMORIA DE PROGRAMA T i pOS
4 k b y te s RAM/EPROM/EEPROM
8 k b y te s RAM/EPROM/EEPROM
N* DE B I T S INTERN OS V a ria b le s B i t s s is te m a / e s ta t u s
1024 SI
2048 SI
R E G IS T R O S INTERNOS T e m p o r iz . + C o n t a d o r e s R e g . D e s p la z a m ie n t o R e lo j c a le n d a r io
32 SI NO
126 SI NO
M* MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b e s e M ód. B e s e ♦ E x p a n s io n e s
1 0 É*6 S 48 E / S
16E+16S 256 E / S
N» MAX E / S ANALOGICAS M ó d u lo B a s e E x p a n s io n e s
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n ta d o re s r á p id o s E x p c o m u n ic a c io n e s R e g u la c ió n O tra s L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a de in s tr u c c io n e s D ia g r a m a d e c o n t a c t o s GRAFCET A lt o n iv e l
-
SI 2 a 5 ms
TOTAL
Todos
SI
lo s m ó d u lo s d e
s e r ie
256
16 «••- M ó d u lo s s e r i e
SI SI
SI SI
O PER A C IO N ES A R IT M E T IC A S
Su n o y R e s t a
4 b á s ic a s (e n te r o s )
FU N CIO N ES E S P E C IA L E S Pro g ra m a d o re s c í c l i c o s O tra s
NO SI
NO C o m u n ic a c io n e s R e g u la c ió n P ID
CONEXION PROGRAMADOR
P r o p ia
P r o p ia
CO M UNICACIO NES: BU S DE CAMPO M* d e c a n a l e s N iv e l f ís ic o p r o to c o lo s N iv e l a p lic a c ió n
S IN E C L1 1 (e s c la v o ) RS-485 P r o p io P r o p io
S IN E C L 1 / S IN E C L2 1 (e s c la v o ) RS-485 P r o p io / P R O F IB U S P r o p i o / P R O F I BUS
SI SI
■
SI SI SI P o s ic io n a m ie n t o , m o to r e s P a P . C o m u n ic a c io n e s , e t c .
SI SI NO NO
SI SI NO NO
SI
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC S o f t m o n it o r t r e a l C o n s o la
SI SI SI
SI SI SI
SI SI SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S
«
FU N C IO N ES E S P E C IA L E S P ro g ra m ad o res c í c l i c o s O tra s
NO NO
NO <- - — ■ <--- —
CONEXION PROGRAMADOR
P r o p ia
P r o p ia
P r o p ia
P r o p ia
C O M UN ICACIO NES: BU S DE CAMPO N» d e c a n a le s N iv e l f í s i c o P r o t o c o lo s N iv e l a p lic a c ió n
S IN E C L1 1 (e s c la v o ) RS-485 P r o p io P r o p io
NO •*
S IN E C L1 1 ( e s c la v o RS-4 8 5 P r o p io P r o p io
S IN E C L1 )) (e s c la v o ) R S-4 8 5 P r o p io P r o p io
si SI
SI
32 S5-100U
SI SI NO NO
G ra p h 5 NO
SI
128*128
SI
256
e tc
SI SI
SI
256
S5-100U
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC S o f t m o n it o r t r e a l C o n s o la
2048
SI
....... .
SI SI
431
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SI GRAPH 5 NO
SI SI SI 4 B á s ic a s (E n t e r o s )
T
"
NO NO C o m u n ic a c io n e s - R e g u la c ió n P ID *
Tabla .4.1.9.2. Autómata* SIEMENS: S5-I00V v SS-IOIU.
, m o to r e s P a P ,
STEP 5
70
128
SI
P o s ic io n a m ie n t o
S5-100U C P U 103
4 0 E *2 4 S
SI
SI
<.........
la
SI
S5-100U CPU102
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a de in s t r u c c io n e s D ia g r a m a d e c o n t a c t o s GRAFCET A lt o n iv e l
NO 8 E * IS « ---- M ó d u lo s d e l a s e r i e S5 -1 0 0 U ---» máx 6 m ód u los máx 32 m ód u los
SI
S5-100U C P U 100
AUTÓM ATAS M tO O R A M A B LIS
Tabla A.1.I0J. Autómatas SPRECIIER: Seríes 1911 y 290,
432
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T IP O
190
290
CONSTRUCCION N» B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO VELO CIDAD < m s / 1 k in s t r )
Com pacto 8 NO 0 ,6
M o d u la r 8 NO 6
MEMORIA RAM I n t e r n a P ro g ra m a T ip o s
1024 r e g s 3 kword RAM, EPROM
232 r e g s 2 k w ord RAM, EPROM , EEPROM
N* DE B I T S
1024 r e g s
232 r e g s
R E G IS T R O S INTERN OS R e g .e s p e c ia l es T e m p *C o n ta d o re s S e c u e n c i a d o re s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s
1024 r e g s 32 68 8 NO 990
232 r e g s 24 64 8 190 63
N* MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e E x p a n s io n e s
12E+10S 4E*4 S
■* 128
N* MAX E / S ANALOGICAS M ó d u lo b a s e M ód. 8 a s e * E xpervs i o n e s
NO *
8 b its 3 2E+16S
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S
NO
C o n t .r á p id o
INTERN OS
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION L i s t a in s tr u c c io n e s SI SI D ia g r a m a c o n t a c t o s NO GRAFCET NO A lt o n iv e l
SI SI NO NO
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC C o n s o la
SI SI
SI SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S B in a r ia s B á s ic a s NO Avanzadas
BCD, NO
FU N C IO N ES E S P E C IA L E S P ro g . C íc lic o s R e l o j in t e r n o O tra s
SI O p c io n a l NO
SI SI SI
CONEXION PROGRAMADOR
R S-232
R S-2 3 2
COMUNICACIONES N iv e l f ís ic o B u s Campo R ed L o c a l N iv e l a p lic a c ió n
NO -
(5 k H z )
B in a r ia s
R S-4 2 2 P r o p io * P r o p io
AUTÓMATAS Y R ID IS C O M IR C IA U S
T IP O
TSX 17-10
TSX
CONSTRUCCION N» B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO VELOCIDAD < a * / k i n * t r )
C o n p a c to B NO 5
C cx rp acto 8 NO 5
MEMORIA DE PROGRAMA T ip o s
8 k b y te s 8 o 24 k b y t e s <---- R A M » b a te ri a , EPROM, E EPR O M -* ->
N* DE B I T S INTERNOS V a ria b le s B i t s s is te m a / e s ta tu s
256 24*5
R E G IS T R O S INTERN OS D a to s C o n s ta n te s T e e p o r iz . ♦ C o n ta d o re s R e g . D e s p la z a m ie n t o R e lo j c a le n d a r io O tro s
NO NO 32 ♦ 15 8 NO NO
1024 1024 32 ♦ 31 4 O p c io n a l 8 w o rd c o m u n ic a c io n e s
20/40 ( 2 r ó p id B S ) 120
40 (2 r á p id a s ) 120 en PL7-1 160 en P L 7 -2
N* MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e
Tabla A3.I0.2. Autómatas SPRECHER: Seríes 390, 490. 590 .y 690. T IP O
390
490
CONSTRUCCION N* B I T S CPU PROCESADOR BOLEAMO V ELO CIDAO ( m s / 1 k i n s t r
M o d u la r 16 A S IC 1 ,5 - 3 ,1
MEMORIA RAM i n t e r n a P ro g ra m a T ip o s
8k 8k <-----
--
M o d u la r 16 A S IC 1 ,1 - 2 ,5
8k 16k ............ RAM
R E G IS T R O S INTERN OS B its P a la b r a s T e m p - C o n ta d o re s
1984 1k 512
1984 1k 512
N» MAX E / S D IG IT A L E S M ó d u lo b a s e E x p a n s io n e s
256 2048
576
N* MAX E / S ANALO GICAS M ó d .B a s e - E x p a n s io n e s
B b its 128
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S T e rm o p a re s C o n tro l p o s ic ió n In te rr u p c io n e s G P IB O tro s
SI NO NO NO NO
590 M o d u la r 16 A S IC 1 ,1 - 2 ,5
16k 16k . EPROM ..........
1984 17k 512
690 M o d u la r 16 A S IC 0 ,5 - 1 ,3
46k 16k
1984 50k 512
1280
4086 5632
8 /1 2 b i t s 136
0 /12 b i t s 224
8 /1 2 b i t s 384
SI S! SI
SI SI
SI
SI
SI
SI
NO B A S IC
NO B A S IC
SI NO B A S IC
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC C o n s o lé
SI
SI
SI 51
SI SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n t a d o r e s r á p id o s E x p c o m u n ic a c io n e s
NO NO
N« MAX E / S
120 D i g í t .
1 6 0 E /S D í g i t o 8 0 E / S O ig ♦ 2 Mód* - C o m u n ic a c io n e s
LE N G U A JE S 0 E PROGRAMACION L i s t a de in s tr u c c io n e s D ia g r a m a d e c o n t a c t o s GRAFCET A lt o n iv e l
P L7 -1 NO SI NO
PL7-1 PL7-2 SI NO
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC S o f t m o n it o r t r e a l C o n s o la
SI NO S!
SI SI SI
O PER A C IO N ES A R IT M E T IC A S
NO
SI
FU N CIO N ES E S P E C IA L E S P ro g ra m ad o res c í c l i c o s R e lo j in t e r n o O tra s
8 NO
8 SI B lo q u e s T e x t o
CONEXION PROGRAMADOR
RS-422
R S-4 2 2
NO
SI 1 R S-4 8 5 y R S-2 3 2 M O D B U S ,J- B U S ,B A T I BUS U N I-T E LU A Y ( P r o p i o ) P r o p io E s c la v o
|| SI
•BC0 c o n s ig n o -
10
50
50
50
SI NO
SI
SI
SI
51
51
TOTAL
a p lic a c ió n NO
Tabla A3.1I.I. Autómatas TELEMECARIQUE: TSX-17.
SI Si SI SI SI
LE N G U A JE S DE PROGRAMACION L is t a in s tr u c c io n e s SI 0 ia g r a m a c o n t a c t o s Si GRAFCET NO A lt o n iv e l NO
SI
(max 3 e x p a n s . ) NO 4 E o 2 S
N iv e l LAN
2ai6
SI SI
N» MAX E / S ANALOGICAS M ó d u lo B a s e E x p a n s io n e s
C O M UN ICACIONES: B U S DE CAMPO N* d e c a n a le s N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo s
2112
SI SI SI
B a s e ♦ E x p a n s io n e s
256 2 4 -7 (P L 7 - 2 )
O o
H6d.
(P L 7 - 1 )
17-20
51
-R S - 2 3 2 -
-R S- 23 2 , R S 4 2 2 /4 8 5 . B u c le C o r r - > P r o p i o ................................................. .. - P r o p io G P IB -
433
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-
AUTÓMATAS MtOORAMABLIS
TSX 4 7 - J TSX 47-10
TSX 4 7 - 2 0 J TSX 47-20
TSX P47 405
TSX P 4 7 415 TSX P 4 7 425 TSX P 4 7 455
CONSTRUCCION M« B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO VELOC JOAD ( m s / k i n s t r )
R a ck 16 NO 10
R a ck 16 NO 10
R a ck 16 NO 0 ,3 2
R a ck 16 NO 0 ,3 2
MEMORIA DE PROGRAMA
32 k b y t e s
N» DE B I T S INTERNOS V a r ia b le s B i t s s is te m a / e s ta t u s
4096 SI
4096 SI
4096 SI
4096 SI
R E G IS T R O S INTERN OS D a to s C o n s ta n te s T empor i 2 . ♦ C o n ta d o re s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s
5 8 k b y te s SI 416 128 SI
5 8 k b y te s Sí 416 128 SI
5 8 k b y te s SI 416 128 SI
5 8 k b y te s SI 416 128 SI
1 6 0 (1 ) 2 5 6 (2 )
1 6 0 (1 ) 2 6 0 (2 )
512
1024
NO
8 0 (1 ) 1 2 8 (2 )
2kHz NO NO NO NO
2 o 40 kHz SI NO SI NO
UPO
< 1)
( 2) (3)
T ip o s
N » MAX E / S O I G t T A l.E S M ó d .B a s e + E x p e n s i o n es
M' MAX E / S ANALOGICAS M ó d .B a s e + E x p a n s i o n e s
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n ta d o re s r á p id o s C o m u n ic a c io n e s C o n tro l e je s P r o c E / S r á p id a s E / S r e m o ta s
, B
L E N G U A JE S DE PROGRAMACION NO L i s t a de in s tr u c c io n e s 0 i a g ram a d e c o n t a c t o s PL7-2 GRAFCET SI A lt o n iv e l PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC S o f t m o n it o r t r e a l C o n s o la
SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S B á s ic a s Avanzadas
SI
SI
SI
SI
FU N C IO N ES E S P E C IA L E S P ro g ra m ad o re s c í c l i c o s R e lo j in t e r n o C o n t r o l P ID O tra s CONEXION PROGRAMADOR CO M UN IC ACIO N ES: BU S DE CAMPO N* d e c a n a l e s N iv e l f ís ic o P ro t o c o lo s N iv e l LAN
a p lic a c ió n
N iv e l
a p lic a c ió n
NO P L7 -2 SI .............. P L7 -3
.
1
l
- (o o lo d i t s ; 258
NO P L7 -2 SI (P r o p io )
SI
SI SI SI SI
SI
SI SI
SI SI 31
SI
512
T a bla A S . ¡1 .3 . A u tó m a ta s T E L E M E C A N IQ U E : T S X -6 7 , T S X -ti? y T S X -1 0
2 o 40 kKz SI SI SI S I (3 )
2kHz NO NO NO NO
SI
R S-4 2 2
112 k b y t e s
32 k b y t e s 56 k b y t e s - • - R A M ^ b a te rla , EPROM
NO PL7-2 SI ..........
SI Si
SI 51 SI SI
TSX 67 425 TSX 67 455
TSX 8 7 425 TSX 07 455
TSX 107 425 TSX 107 455 TSX 107 485
CONSTRUCCION N ’ B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO VELO CIDAD ( m s / k i n s t r )
Rack 16 NO 0 .5
Rack 16 NO 0 .3 2
R a ck 16 NO 0 .3 2
MEMORIA DE PROGRAMA T ip o s
224 k b y t e s
(1 ) (2 ) (3 )
352 k b y t e s
352 k b y t e s - R A M - b e t e r ía , EPROM
N» DE B I T S INTERNOS V a ria b le s B i t s s is te m a / e s ta t u s
4096 SI
4096 SI
4096 SI
R E G IS T R O S INTERN OS D a to s C o n s ta n te s T e e p o r i z . « C o n ta d o r e s R e g . D e s p la z a m ie n t o O tro s
5 8 k b y te s SI 416 128 SI
5 8 k b y te s SI 416 120 SI
5 8 k b y te s SI 416 128 SI
N» MAX E / S D IG IT A L E S M ód. B a s e ^ E x p a n s i o n e s
NO
SI SI
NO S(
SI SI SI
2048
2048
512
RS-422
R S 422
R S-4 2 2
N* MAX E / S ANALO GICAS M ó d .B a s e ^ E x p a n s i o n es
1024
1024
258
SI 1 R S - 2 3 2 .R S - 4 2 2 RS-485,BC 20m A M O O B U S ,J- B U S U N I- T E lW A Y (P r o p ) P r o p io MAP (2 > < 3 ) ETHERNET ( 2 )< 3 ) P r o p io
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n t a d o r e s r á p id o s C o m u n ic a c io n e s C o n tro l e je s P r o c E / S r á p id a s E / S r e m o ta s
2 o 40 kHz SI SI SI SI (2 )
2 o 40 kHz Sí SI SI 5 1 (2 )
2kHz SI S! SI S I (2 )
LE N G U A JE S DE PROGRAMACION l i s t a d e in s tr u c c io n e s D ia g r a m a d e c o n t a c t o s GRAFCET A lt o n iv e l
NO P L7 -2 SI < — - --------
SI 1 R 5 -4 8 5 /R S-2 3 2 M O O B U S.J-B U S T E L W A Y (P r o p ) P r o p io E s c la v o P r o p io
N O T A : L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n io s d is tin to s tip o s p a ra io s q u e e t d a to e s v é h d o
Tabla A3.lt.2. Autómatas TELEMECA NI QUE: TSX-47.
PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC S o f t m o n it o r t r e a l C o n s o la
SI SI
SI
NO P L7 -2 SI -PL7 -3 ( P r o p i o )
SI SI SI
O P ER A C IO N E S A R IT M E T IC A S B á s ic a s Avanzadas
SI SI
FU N CIO N ES E S P E C IA L E S P ro g ra m ad o re s c í c l i c o s R e lo j in t e r n o C o n t r o l P ID O tra s
SI SI SI SI
CONEXION PROGRAMADOR
RS-422
CO M UN IC ACIO NES: B U S DE CAMPO N* d e c a n a le s N iv e l f ís ic o P r o t o c o lo s
2
N iv e l LAN N iv e l
a p lic a c ió n a p lic a c ió n
SI
NO P L 7 -2 SI -
SI
SI
SI SI SI
SI 51
SI SI
RS-4 2 2
SI SI 4 >4 R S- 2 3 2 , R S - 4 2 2 , R S - 4 8 5 , BC 20mA..................... M O O B U S .J- B U S ........................ .................UN I - T E lU A Y ( P r o p ) .................... ....................... P r o p i o .................................... ................. MAP , E T H ER N ET ...................... -- — - ..........P r o p io - - - - - - - - - — ----
N O T A . L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n lo s d is tin to s tip o p a ra lo s q u e e l d a to e s v á lid o
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A U T6 M A TA I r RfDKft COMIRC1AÍ111
M20 M40
EX100
PRO SEC T2
C om p a cto
M o d u la r
M o d u la r
NO
NO
NO
VELOCIDAD (m s / 1 k in s tr > I n s t r . ló g ic o s In s tr .A r itm é t ic a s
0 .9 110
0 .9 110
0 ,4 6
MEMORIA RAM i n t e r n a P r o g ra m a T ip o s
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CONSTRUCCION N» B I T S CPU PROCESADOR BOLEANO
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2 2 4 E /S
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max A m ó d u lo s max 15 m ó d u lo s max 32 m ó d u lo s < 4E o 2 S ( 8 o 12 b i t s ) p o r m ó d u l o >
IN T E R F A C E S E S P E C IA L E S C o n tro l p o s ic ió n L E N G U A JE S DE PROGRAMACION D ia g r a m a c o n t a c t o s SI GRAFCET NO A lt o n iv e l NO PROGRAMACION P r o g . d e s d e PC S o f t w a r e m o n it o r C o n s o la
SI EX-PDD SI
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N O T A S : L o s n ú m e r o s e n tr e p a r é n te s is in d ic a n io s d is tin to s tip o s p a ra io s q u e e l d a to e s v á lid o
Tabla A l 12.1. Autómatas TOSHIBA: M20/M40. EX 100. PROSEC T2.
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AUTÓMATAS m O O R A M A SU S
ANEXO IV. NORMALIZACIÓN Y NIVELES DE PROTECCION DE EQUIPOS INDUSTRIALES A4.1. N E C E S ID A D D E UNA N O R M A L IZ A C IÓ N IN D U S T R IA L El diseñador y el instalador de un equipo industrial deben asegurar la re sistencia de éste trente a agresiones de su enlomo de trabajo, agresiones que en la industria adquieren forma de hu medad, salpicaduras o agua directa, polvo y ambientes corrosivos, e inter ferencias electromagnéticas. Obviamente, y para una correcta uti lización del equipo, es necesario que el usuario fina! conozca con exactitud cuáles son las condiciones limite que el sistema será capaz de soportar, lo que obliga a los fabricantes no sólo a diseñar y fabricar equipos robustos, sino también a cuantificarv normalizar sus productos de acuerdo a unas de terminadas normas o recomendacio nes. Dados los tres tipos principales de agresión que un equipo industrial pue de sufrir una vez instalado — electromagnética, — mecánica, y — química y a fin de clasificar los equipos por su mayor o menor resistencia al ambiente industrial, se proponen desde distintas entidades y organismos (C E N E L E C . IF.C, D IN , N FC , etc.) ciertas normas de difusión general que definen y clasifi can aquellos elementos agresivos y es tablecen escalas de protección frente a ellos, permitiendo codificar los equipos por sus características de robustez tanto mecánica como eléctrica. En el presente anexo se enumeran y comentan algunas de las normas de caracterización eléctrica y mecánica que pueden encontrarse más frecuentemen
te asociadas al comportamiento de equipos industriales, en una presenta ción que no pretende ser exhaustiva sino únicamente indicadora de aquellas más frecuentes y de su campo de apli cación. Debe resaltarse también que, en el ámbito de la Unión Europea, muchas de las normas de aplicación nacional (U N E , D IN,...) son revisadas y adap tadas a las directrices que lijan las D i rectivas de aplicación comunitaria, en el marco de una política común de ho mologación industrial.
A4.2. C O M P A T IB IL ID A D V S U S C E P T IB IL ID A D E L E C T R O M A G N É T IC A S Una característica fundamental de los equipos eléctricos industriales es su ro bustez electromagnética. Entre las nor mas de protección electromagnética más importantes que un dispositivo debe cumplir en un ambiente industrial están las que hacen referencia a la com patibilidad elpcrroinaf’ttptica, definida como la aptitud de un dispositivo, apa rato o sistema para funcionar en forma satisfactoria en su enlomo electromag nético, sin producir por sí mismo per turbaciones electromagnéticas intole rables en otros aparatos que se en cuentren en dicho entorno La Normativa Europea Armonizada. conjunto de especificaciones de carác ter técnico en compatibilidad y suscep tibilidad electromagnética, no obliga torias, adoptadas por C 'E N E L E C / E N , están recogidas en la Directiva Co munitaria de Compatibilidad Electro magnética 89/336/CEE, v modificacio nes 91/263/CEE y 92/31/CER. que li mitan los niveles de emisión de per
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turbaciones electromagnéticas y esta blecen la inmunidad del equipo frente a la recepción de las mismas. Si el equipo está además conectado a red debe ser capaz de trabajar con distintos voltajes y variaciones impor tantes de los mismos, soportar sobre tensiones, corles y transitorios en las lineas de alimentación, ele, (recomen daciones IE C 65A). La normalización E M C recogida por la Directiva Europea 89/336/CEE es el resultado del trabajo de distintos or ganismos, como la Comisión Electro técnica Internacional (IE C ), que englo ba a 47 países con dos centenares de comités y subcomités de estudio, y el C om ité Europeo de Norm alización Electrotécnica ( C E N E L E C ), que está formado por los países de la Unión E u ropea más los países miembros de la Asociación Europea de l.ihre Comercio (F.FTA ), que elabora las normas eu ropeas ( E N ) agrupando las normativas nacionales. Al IE C pertenece el Comité de Es tudios 77. que trata de los problemas de compatibilidad electromagnética di vidiéndolos en seis apartados princi pales; por ejemplo. SC 77/A hace re ferencia a los ensayos de inmunidad de armónicos, SC 77/B trata de los tran sitorios eléctricos en ráfagas, y así su cesivamente. También miembro del IE C es el Co mité Internacional Especial para las Perturbaciones R a d i o e l é c t ri cas (C1SPR), entre cuyos subcomités des tacan los C IS P R / A y C IS P R / B . que elaboran las normas para los equipos de medida y equipamiento industrial en general, respectivamente. Al mismo organismo pertenece el subcomité SC 65 A. que elabora las normas de los ensayos de inmunidad
NORMALIZACIÓN Y NIVILIS D I PROTICCIÓN
de equipos industriales, como orde nadores. autómatas, etc. Miembro del Comité Europea de Normalización (C E N ), C E N E L E C ela bora las normas que hacen referencia a los equipos eléctricos y electrónicos. Para evitar duplicidades con el IE C , los trabajos que aprueba uno de ellos que dan automáticamente aprobados por el otro. Las publicaciones fundamentales del C E N contienen las normas emitidas por el organismo, y sirven de docu mento de referencia para los comités de productos, ya que definen las exi gencias y los métodos de ensayo apli cables a las familias de productos. Por ejemplo, CISPR22 hace referencia a los limites y métodos de medida de per turbaciones radioeléctricas producidos por equipos de tratamiento de la in formación. como son los autómatas, terminales de operador, ordenadores industriales, etc. La tabla A4.I muestra el conjunto de normas, según estos diferentes orga nismos, que hacen referencia a com patibilidad y susceptibilidad electro magnética en el medio industrial. Los mínimos que el equipo debe cumplir para ser electromagnéticamen te seguro se recogen en la especifica ción N A M U R (Normen Ausschp Mep und Regeltechnick), a la que se referen muchos de los productos de fabricación europea y alemana en particular. En cuanto a seguridad eléctrica, los equipos deben cumplir alguna de las especificaciones V D E 0805 5.80, EN 60.950, IE C 950, T Ü V G S, etc., o ser conformes C E a la Directiva Com u nitaria correspondiente.
A4.4. GRADOS DE PROTECCION Otra característica muy importante para la selección de un equipo es su
Tahla .44.1. Recomendaciones a seguir en compatibilidad y susceptibilidad electromagnética. C O M P A T IB IL ID A D E L E C T R O M A G N H T IC \ concepto norma C EN ELEC compatibilidad
La solidez mecánica de los equipos se mide por su resistencia a la vibración y al choque. La tabla A4.2 muestra las recomendaciones que hacen referencia a estos conceptos. Las especificaciones tic operación vie nen dadas por los rangos de tempera turas y humedades relativas que el equipo puede soportar durante el trans porte y almacenamiento y bajo opera ción, y oscilan, para equipos no espe
IEC
aplicación
DIN
EN 5
g e n e ra l emisión
EN 55022, a s m 22
P IN VDE 087r
de
equipos tnlurm á tíc o s de tecnologías dé la
in f o r m a
ción ’ en PTC (EE.UU.), FCC CFR 47 pan 15. subparl.B S U S C E P T IB IL ID A D E L E C T R O M A G N E T IC A concepto
norma CENF.LEC
resistencia a las
IEC
aplicación DIN
EN 500X2-2
g e n e ra l,
interferencias perturbaciones inducidas por
E M C en equipos de medida y
re
cepción
EN 50065-1
IE C 801-6
transmisión señales de Rl
radiofrecuencia
por la reti
HD 4X1 i S I
IE ( XIII. i
HD 4X1.2 S i
IEC XI)1-2
l)IN VDE 084.1-2
HD 4X1 5 S I
IEC XI)1-5
DIN VDE 0845-5
general
control industrial descargas electros
A4.3. SOLIDEZ MECANICA Y ESPECIFICACIONES DE OPERACIÓN
prado tic protección, que indica la re sistencia del mismo frente a agresiones intrusivas externas por polvo y agua gases. Los fabricantes norteamericanos utilizan para cuantiliear este grado de protección las normas N E M A (Natanal Electronics Manulácturers), mien tras que en Europa es más frecuente la clasificación IE C . que en sus publica-
cíficamente acondicionados, entre 0"C y 50"C de temperatura y 5% y 90% de humedad relativa.
táticas
campos electro magnéticos
en el aire, di rectas e indi rectas radiación ambiental
IE C 801-4
Irenes de pulsos
DIN VDE 0845-4
(ráfagas)
en
lincas de
d ato s y a l i mentación
IEC 801-5
pulsos transitorios
PIN V PE 0X45-5
en líneas de d ato s y a l i mentación
armónicos
EN 6055542
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IE C 555-2
AUTÓ M ATA! PR O G R A M A l i l i ______________________________
R E S IS T E N C IA M E C A N IC A concepto
norma C EN ELEC
aplicación
IRC
litN
vibración, en frecuencia y amplitud
H iC hR-2-ft
Shock mecánico
IK C M-2-27
sobre equipos apagados y encendidos sobre equipos apagados y
(golpes)
encendidos
Tabla 44.2. Recomendaciones a seguir en cuanto a robustez mecánica.
Tabla A4.3. (irados de protección a la penetración de polvo y agua, según códigos IP. IP
1” cifra
2" Cifró
protección contra contados de cuerpos sólidos
protección contra penetración de líquidos
0 No protegido
<1 N o protegido
/ Protección contra sólidos, diámetro
/ Protección contra caída vertical de gotas de agua
mayor de 50 mm
2 Idem, mayores de 12 mm
2 ídem, con ángulo incidente máxi mo de 15"
.? Ídem, mayores de 2.5 mm
.i Protegido contra lluvia
4 ídem, mayores de 1 mm
4 ídem, contra salpicaduras
5 Protegido contra cl polvo
5 ídem, contra impacto de agua
f> Totalmente hermético al polvo
ó Protegido contra golpes de mar
ciones IhCJ 144 y y jy dclinen la pro lección proporcionada por las envol turas de los equipos mediante un có digo de dos cifras precedidas por las siglas 1P (índice de Protección). Estas dos cifras denotan de menor a mayor (tabla A4.3) el grado de protección frente a la intrusión de polvo (el pri mero de los dígitos) y agua (el segundo dígito). Así. por ejemplo, un equipo con pro tección IP 20 estará recubierto por una carcasa metálica o plástica que protege su interior contra la penetración de cuerpos sólidos grandes, pero que no impide la entrada de agua y salpica duras, mientras que otro equipo cuyo índice de protección es IP 65 está ga rantizado contra entrada de polvo y lanzamiento de agua desde todas di recciones. Algunos fabricantes especifican tam bién la resistencia máxima contra el choque y la vibración mediante códi gos IP, con una tercera cifra a añadir a las anteriores, según publicación N F C 20.010 de abril de 1977, anexo le (ta bla A4.4). La clasificación N F.M A de los grados de protección establece menor número de grupos, lo que no le impide cubrir los casos más frecuentes de clasifica ción IP, como puede verse en la tabla A4.5.
7 Protegido contra inmersión Ñ Protegido contra inmersión prolon gada
N E M A I: Protección mecánica con cu bierta sólida
Tabla A4.4. Grados de Protección mecánica, según códigos IP. IP
Tabla A4.5. Grados de protección, según códigos NEMA
N E M A 2. Protección contra el polvo y
f cifra
el goteo de agua
protección contra daños mecánicos Peso (kg)
II
N o protegido
Altura de caída (mi
Energía del choque (J)
N E M A 12: Protección combinada con tra salpicaduras de agua y aceite y resistencia antico rrosión
1
ti. 15
0.15
0.225
2
0.15
0.25
0,375
N E M A 4: Protección contra chorro de agua y ambientes corrosivos
?
0,25
0,20
0.5
5
0,5
0.4
2
chorro directo de agua y
7
1,5
0.4
6
protección contra la corro sión equivalente a cubierta
S
5
0.4
20
de acero inoxidable
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N E M A 4x: Máxima protección contra
Temperatura
Grado de protección IE C IP 43. Opcio
No operación
nal IP 65.
(apagado):
-25"C a +60"C
Operación:
5"C' a +50"C
IIttnw ilad (sin condensación) No operación (apagado): Operación:
5 % a 95% 20% a 80%
- Chaqué (según norma IE C 68-2-27) No operación:
30 g. 6 ms
Operación: 15 g. II ms (sobre X .Y ./ )
10 kH/ - I G H z , 10 V/m
- Com patibilidad
electromagnética (se
gún E N . IE C . D IN V D E )
Cumple D IN V D E 0871 clase B. E N 55022 (boletín 1046/84. 243/91) P'CC CTR47 parte 15. subparte B clase B
- Vibración (según norma IF.C 68-2-6)
electromagnética
(según
No operación;
10-58 llz. 0.15 mm 58-50011/, I g
Operación
10-58 II/, 0.07 mm
C umple F.N 50082-1/2
58-500 Hz, 0,5 g
Descarga electrostática (según IF< 801-2. D IN V D E 0843-2)
Mormus de Seguridad Cumple T Ü V , ll-.C 950. D IN 0850. F.N 60950
VDE
Protección ambiental (según normas IEC'. D IN V D E ) Cumple D IN V D E 470
normas F.N. IE C . D IN V D E )
Directa (en aire): Indirecta' Directa (contacto):
Descargas o ráfagas de pulsos IE C 801-4. D IN V D E 0843-4 en las líneas de alimentación. 4 kV
Cumple E N 55081-1/2 clase B Radiación:
- Inmunidad
IE C 801-3. D IN V D E 0843-3
15 kV 8 kV 8 kV
- Campos electromagnéticos (según nor mas IE C , D IN V D E )
en las lineas de datos. 2 kV Pulsos transitorios IE C 801-5. D IN V D E 0843-5 en las lineas de alimentación, entrada simétrica, entrada asimétrica,
I kV 3 kV
en las lineas de datos,
2 kV
Inmunidad a perturbaciones inducidas por RE IE C 801-6 especificado. 150 k ll/ • 80 M U /. 30 V NOTA I I aparato cumple o supera los requerimicnlos de las normas alemanas NAMt IR. y esta conlbrmc con todas las Directivas aplicables de la Unión Europea (marca C E)
Tabla A4.6. Fjemplo de información técnica referida a niveles de protección.
Figura 44.1. Ordenador portátil industrial IF-l.itc Color (foto cortesía de Knntron Flektronik. S.A.).
A4.5. E JE M P L O D E E S P E C IF IC A C IO N E S Como ejemplo de especificaciones técnicas de seguridad y protección para un equipo industrial, en concreto un ordenador P C portátil de Kontron Elektronik, modelo IP-Lite Color (fi gura A4.I), véanse las mostradas en la tabla A4.6. Debe advertirse que las normativas y las recomendaciones en el contexto europeo están actualmente en fase de actualización, revisión y unificación, por lo que a corto plazo muchas de las recomendaciones anteriores quedarán comprendidas dentro de una marca co mún de calidad CF.. A la vista de las descripciones an teriores, ¿que protección o normativas debe cumplir un cierto equipo? Todo depende de la aplicación: una vez que el usuario ha cuantillcado el nivel de agresión que el equipo puede sufrir, y establecido la normativa de aplicación legal, podrá exigirle el cumplimiento de determinadas normas o especificacio nes, facilitando primero la tarca de se lección en el mercado y asegurando después la integridad de funcionamien to bajo condiciones normales de ope ración.
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