, ZACION
A
IN
L:
Teoría y
oratorio
U:nivérsidad Distrital Francisco José de caldas ¡;'-l
Humberto H. Gutiérrez Ramírez Primera Edición 2610
, AUTOMATIZACION INDUSTRIAL:
Teoría y Laboratorio ~
Prefacio El trabajo que recopilación de mis experiencias mis estudiantes rrollos y que he
presento a la comunidad académica es la suma de varios factores: la información que muchos autores han compartido en la red de Internet, como docente en el área de la Electrónica Industrial, y el trabajo que han aportado durante muchos años, resultados valiosos en ideas, desa_ ido seleccionando para incluirlos en esta obra.
He enfatizado el carácter de los temas, puesto que están orientados hacia los sistemas de eventos discretos, complementando, en esta forma, sus cursos de control que están dirigidos hacia los sistemas continuos y de tiempo discreto. Por tal razón, introduje un capítulo dedicado a dos de los métodos clásicos de modelamiento de los sistemas de eventos discretos, como son las Redes de Petri y las cartas de estado, estas últimas basadas en una herramienta de Matlab conocida como Statef1ow. Para el análisis de los procesos industriales utilizando estas herramientas de modela_ miento, he incluido la aplicación de un programa que desarrollé en Matlab con el que se puede hacer el análisis de la Red de Petri del Proceso y luego trasladar a Statef10w de Matlab. Propongo cuatro laboratorios básicos, el primero basado en la lógica eléctrica, dos para desarrollar con el controlador lógico programable y el último es una aplicación usando la tecnología hidráulica-neumática complementada con el controlador. Espero que este modesto y sencillo trabajo sea del agrado de mis estudiantes y encuen_ tren en fa información dada, el conocimiento y la motivación para entrar en este campo tan apasionante como es la automatización. Mis agradecimientos: Con humildad a Dios por iluminar mi mente y permitirme vivir la vida. A mi esposa Edilma y mis hijos Adriana y Nicolás, quienes tuvieron la paciencia y com_ prensión ya que en muchos momentos cuando más me necesitaban, yo estaba ocupado. A la Universidad Distrital, mi Alma Mater, por concederme este tiempo tan valioso para poder escribir este trabajo. y a mis estudiantes, mi objetivo de trabajo y fuente de inspiración, para quienes va diri_ gido el libro.
Cualquier inquietud,
mis correos electrónicos:
[email protected]
[email protected]
,
Indice Prefacio
1.
2.7. 2.9. 2.10. 2.2. 2.6. 2.5. 2.4. 2.3.
Perfil del Ingeniero de Automatización
1.1. Introducción................
1
1.2. características y Cualidades..
1
1.3. Ingeniería y Sociedad...............
2
1.4. Características del Ingeniero para la Acreditación...........................................................
5
1.5. Problemas en Ingeniería...............................................
9
1.6. Conclusiones..................................................................................................
12
Ejercicio 1.1.......
13
2.
Automatización Industrial
2.1.
Introducción
2.8.
:.............................................
15
Evolución Histórica.
16
Automatización.........................................
18
Objetivos de la Automatización..............
19
Tipos de Plantas de Producción........
20
Disposición de los Procesos en la Planta......................................................................
22
Niveles de jerarquía en la Automatización
23
IndustriaL................................................
2.7.1. Sistemas Integrados de Producción:Concepto CIM.................................................. 2.7.2. Sistemas de ControlIndustrial................................................................................ 2.7.3. Pirámidede la Automatización..
24 29 31
Celdas de Manufactura Flexible..
34
Sistemas de. Eventos Discretos.....
38
Conclusiones..........
43
Ejercicio 2.1............................................................................
"
...•....•
46
3.
Dispositivos de Control Eléctrico
3.1.
Introducción
. 99
3.2.
Dispositivos de Maniobra y Mando 3.2.1. Interruptores 3.2.2. Pulsadores 3.2.3. Detectores de Posición 3.2.4. El Contactor 3.2.5. Relésde Estado Sólido 3.2.6. 3.2.7. 3.2.8. 3.2.9. 3.2.10.
. 90
oO
Temporizadores Contadores Detectores de Proximidad Presóstatosde Potencia Otros Dispositivos
••••••••••••
oO
:..
oO
•••••••••••••
. . . . oO
. . . . .
3.4.
Diagramas Para el Control Eléctrico
.
3.4.1. 3.4.2.
. .
Conclusiones
Ejercicios Ejercicios Ejercicios Ejercicios
.
3.1 3.2 3.3 3.4
. . . .
4.
Automatismos de Control Eléctrico
4.1.
Introducción
.
4.2.
Modelo: Análisis y Síntesis
.
4.3.
Automatismos combinatorios
4.4.
Diseño de Automatismos
4.5.
.-.
•••••••••••••••••••••••••••••••
Simbología Eléctrica
3.5.
'.
••••••••••••
3.3.
Diagrama Esquemático Diagrama Ladder
48 105 74 71 62 58 101 113 80 75 67 57 88 83 81 79 87 97 60 88 93 91 126 96 123 50 85 81
y Secuenciales
Lógicos
. .
4.4.1. Lógica Binaria 4.4.2. Automatismos Eléctricos
. .
Conclusiones
.
Ejercicios 4.1. Ejercicios 4.2 Ejercicios 4.3
. . .
Laboratorio 1
.
/'''1.
5.
Controlador Lógico Programable
5.1.
Introducción.
127
5.2.
Definición y Aplicaciones..........................................................
128
5.3.
Arquitectura...................
131
5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 5.3.4. 5.3.5. 5.3.6.
132 132 134 134 139 141
5.4.
Bloques Principales........................................ Bloques Necesarios............................................................................................... Programa ROM.......................... Memorias Interfases de Entrada y Salida.. Fuente de Alimentación...........
:.......
Fundamentos..................................
142
5.4.1. Sistemas Numéricos.............................................................................................. 5.4.2. Señales Digitales y Análogas....................
143 145
S.S.
Programas de Control..................................................
148
5.6.
Lenguajes de Programación del PLC.............................................................................
150
5.7.
Lenguajes: Ladder, de Bloques Funcionales y listado de Instrucciones......................
151
5.7.1. 5.7.2. 5.7.3. 5.7.4. 5.7.5.
155 160 164 166 169
5.8.
Combinaciones AND-OR........... Operaciones de Pila Interna.... Funciones de Temporización.................... Temporizadores Especiales..................................................................................... Función Contador..................................................................................................
Diagramas de Función Secuencial.
:
5.8.1. lEC 61131. : 5.8.2. El GRAFCET 5.8.2.1. 5.8.2.2. 5.8.2.3. 5.9.
.
201
. .
201 203
Elementos del GRAFCET
.
Reglas de Evolución del GRAFCET
.
Estructuras en el GRAFCET
.
203 206 207
.
231
Texto Estructurado
5.10. Recursos de los PLCs....
242
5.11. Guía GEMMA..;................................................................................................................
283
5.11.1. 5.11.2. 5.11.3. 5.11.4.
Metodología........................................... Representación Gráfica Convencional....................................................................... Utilización de la Guía GEMMA.................................................................................. Diseño Estructurado de Automatismos.....................................................................
285 290 295 304
5.12. Conclusiones........................................
323
Ejercicios Ejercicios Ejercicios Ejercicios Ejercicios
157 164 174 214 223
5.1..... .•..................................................................... 5.2 0........... 5.3........ 5.4.......... 0.... S.S
..
Ejercicios 5.6.. Ejercicios 5.7.. Ejercicios 5.8....................................................................
238 251 313
Laboratorio 2.............................................................................................. Laboratorio 3........
184 254
6.
Conceptos Básicos de Neumática
6.1.
Introducción.....
324
6.2.
Principios Básicos del Aire...
324
6.3.
Propiedades del Aire Comprimido..
326
6.4.
Producción del Aire Comprimido...................................................................................
329
6.4.1. Tipos de Compresores........... 6.4.2. Compresores........................................................................................................
329 330
6.5.
Elementos Adicionales del Compresor
335
7.
Conceptos Básicos de Hidráulica
7.1.
Introducción
7.2.
Principios Físicos
7.3.
Aspectos Generales
8.
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
8.1.
Introducción
.
8.2.
Cilindros
.
8.3.
Válvulas
.
8.3.1. 8.3-.2. 8.3.3. 8.3.4.
. . . .
,.....................................................
. 373 345
.
Válvulas Distribuidoras Válvulas de Presión Válvulas de Cierre Válvulas Reguladorasde Caudal.
:
Simbología Hidráulica-Neumática
.
8.5.
Diagramas de Fases Hidráulico-Neumático
.
8.6.
Conclusiones 8.1. 8.2 8.3 8.4
.
338 363 357 362 360 368 338 345 353 411 343 350 366
?, "
_A
.
8.4.
Ejercicios Ejercicios Ejercicios Ejercicios
..
oOoO
. oo
oo
•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
.
..
Ejercicios 8.5..... Ejercicios 8.6......................................................................
377 393
Laboratorio 4...................................
396
9.
Modelamiento de los Sistemas de Eventos Discretos Redes de Petri y Cartas de Estado
9.l. 9.3. 9.2. 9.5. 9.4. 9.6.
9.7.
Introducción....................
412
Redes de Petri.....
413
Definición Formal.................
414
Evolución de las Redes de Petri.....................................................................................
417
Modelamiento de Sistemas...................................................
420
Propiedades de Comportamiento..................................................
422
9.6.1. 9.6.2. 9.6.3. 9.6.4. 9.6.5. 9.6.6.
Alcanzabilidad................................. Limitación........................................................................................... Viveza.................................................................................................................. Reversibilidad ,............................................................. Cobertura................................................................ Persistencia..................................
423 423 423 424 424 424
Métodos de Análisis.......................................................................................................
424
9.7.1. Árbol de Alcanzabilidad..................................... 9.7.2. Análisis Matricial.........
424 429
9.7.2.1. 9.7.2.2. 9.7.2.3. 9.7.2.4. 9.7.2.5.
'X.
Construcciónde los Marcados ~...... Propiedadde Conservatividad........................................................................... Propiedad de Reversibilidad...................................................................... Propiedad de Seguridad y Limitación................................................................... Propiedad de Alcanzabilidad...........
429 430 432 432 432
9.8.
Cartas de Estado (Statechart)........
434
9.9.
Máquinas de Estado Finito y Stateflow.........................................................................
435
9.10. Elementos de Stateflow.......
436
9.11. Semántica...........................
440
9.11.1. 9.11.2. 9.11.3. 9.11.4. 9.11.5. 9.11.6. 9.11.7. 9.11.8. 9.11.9. 9.11.10.
Semántica de EstadosActivos-Inactivos. Semántica de Transición con Acciones................... Transición entre sub_estados............................................................................... Condición en Uniones..... Transición por Defecto en OR-EX.......................................................................... Transición por defecto y Unión Histórica................................................................ Transición por Defecto con Etiquetas.................................................................... Transiciones Internas , Transición Interna Conectadaa Unión Conectiva................................................... Acciones en DescomposiciónAND..
440 441 443 444 445 446 446 447 449 450
)
487 451
9.11.11. 9.11.12.
Acciones de Transición y Eventos Anidados Construcción de Decisiones
9.11.13.
Construcción de Lazo FOR
.
9.11.14.
Uso de Calificadores
.
9.12. Adecuación de las Redes de Petri al Mapa de Stateflow
. .
.
9.12.1.
Proceso_prueba4
.
9.12.2. 9.12.3.
Proceso_prueba6 Proceso_prueba2
. .
9.12.4. 9.12.5.
Proceso_prueba 17 Proceso_prueba 12
. .
9.13. Adecuación del Mapa a la Carta de Stateflow
.
9.14:
.
Método y Procedimiento 9.14.1.
Método de Traslado de Redes con Secuencias Simultáneas
.
9.14.2.
Método de Traslado para Redes con Secuencias no Simultáneas
.
9.14.3. 9.14.4.
Procedimiento para Configurar Datos y Eventos Procedimiento para Configurar Señales en Simulink
. .
9.15. Conclusiones
.
Ejercicios 9.1.
.
Bibliografía
454 453 481 477 468 504 506 502 472 459 456 517 485 489 510
.~Jl
,
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
1
1. Perfil del Ingeniero de Automatización
1 Peñil del Ingeniero de Automatización
1.1.
Introducción
En este capítulo introductorio, se mencionan algunos aspectos que el estudiante de ingeniería electrónica ha adquirido a través del estudio, la experiencia, el gusto, etc., que lo han formado para ser capaz de enfrentar los innumerables retos que en su vida profesional tendrá que resolver. Son cualidades, destrezas, habilidades que adquirió en las aulas de clase, en los laboratorios y en sus horas de dedicación.
1.2.
Características y Cualidades Como punto de partida, se presenta una definición de ingeniería.
«Ingeniería es la profesión en la que los conocimientos de las matemáticas, física, ciencias naturales, obtenidos a través del estudio, la experiencia y la práctica, se aplican con juicio, para desarrollar diversa formas de utilizar, de manera económica, las fuerzas y materiales de la naturaleza, en beneficio de la humanidad».
Esta definición es propuesta por la ABET (Consejo de acreditación para la ingeniería y tecnolo_ gía de los Estados Unidos de América).
Entonces, la ingeniería no es una ciencia, sino una aplicación de la ciencia, que requL ere de la habilidad y de la creatividad de quien la ejerce.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
3
1. Perfil del Ingeniero de Automatización
• Comprender asuntos culturales y económicos en un mundo globalizado. Se requiere mayor movilidad internacional . • Hoy¡ la responsabilidad social del ingeniero es mayor: gracias a la ingeniería se han construido magnmcas obras¡ pero los problemas de la humanidad siguen sin resolver: educación¡ salud¡ trabajo para todos¡ etc.
Los puntos mencionados sirven de base para definir el perfil del ingeniero: los rasgos pertinentes de un egresado de ingeniería que se desempeñará como tal en el siglo XXI son: 1. Conocimientos aprendidos de su profesión y de la cultura contemporánea. 2. Habilidades de razonamiento desarrolladas. trabajar en equipo y comunicar con claridad.
Ser capaz de: crear¡ criticar y aprender. Ser capaz de
3. Actitudes reforzadas. Ser: cuidadoso del medio ambiente¡ productivo¡ responsable¡ honesto¡ intere_ sado en los demás y con la preocupación permanente de continuar educándose en su profesión.
Los valores que sostienen estas actitudes son: el hombre,. medio ambiente y el servicio. Para satisfacer estos perfiles, el estudiante de ingeniería y futuro ingeniero debe tener una serie de cualidades intelectuales y personales que le permitirán desempe_ ñarse eficientemente en su profesión. • Inicialmente están los conocimientos
reales.
Estos son adquiridos en las aulas de la universidad y como experiencia en su vida profesional. Estos conocimientos reales son: En ciencias básicas: como son las matemáticas¡ física y química. Esto es evidente al observar los distintos programas ofrecidos en pregrado en donde un 30% a 40% de asignaturas son de ciencias básicas. Ciencias aplicadas: que tiene que ver con el «dónde» y «cómo» aplicar los conocimientos reales adquiridos en las ciencias básicas. Se incluyen áreas como la electrónica y circuitos básicos¡ digitales¡ control¡ comunicaciones¡ instrumentación¡ etc. Conocimientos
empíricos ordenados: resultan de la experiencia y la inventiva al entrar a diseñar y proyectar; muchas ideas¡ prácticas y observaciones¡ aunque no fundadas en principios científicos¡ han demostrado¡ por la experiencia¡ que son buenas y útiles. Todo ese material se ha registrado y perpe_ tuado y constituye un inmenso universo de conocimientos empíricos en los que se apoya el ingeniero. otros conocimientos:
hay varios aspectos no técnicos del desarrollo intelectual de un estudiante de ingeniería. Para ser profesionalmente competente¡ su caudal de conocimientos debe extenderse más allá de las ciencias físicas y la ingeniería. Debe abarcar materias como economía¡ psicología¡ sociología¡ humanidades¡ política¡ otros idiomas e incluso bellas artes. Todo este bagaje de conocimientos da formación al ingeniero integral. Por esta razón un 20% de los programas de ingeniería deben incluir cursos de humanidades y ciencias sociales.
•
Ahora se consideran las habilidades del ingeniero .
./ Debe tener habilidad en el diseño¡ siendo el diseño la parte medular de la ingeniería; todo lo que se efectúa para resolver un problema se hace mediante el diseño. La habilidad en el diseño depende en gran porcentaje¡ además de los conocimientos mencionados¡ de la inventiva y la creatividad.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: IB:kiCJ...
-
-J'
o
4
1. Perfil del Ingeniero de Auto -=:z__ ./ Un método para predeci E: e soluciones alternativas es el uso del criterio personal, un fuerte conocimie' 2 - -":_>:2 11 la simulación, es decir, la experimentación virtual o experimentación mediante ~~ ora es una poderosa herramienta práctica, que mediante la diversidad de paquetes (le s::::'~'C12, consütuyen formas de hacer cálculos y simulaciones rápidas y eficientes . ./ Se tiene que experimentar, lo que si<;nf.k:a e hay que saber preparar un experimento de obtener la mayor cantidad de informa -' confiable con un mínimo de tiempo y costo . ./ En la experimentación de medición.
con el fin
y en muchas otras fases de trabajo habrá que utilizar la destreza o habilidad
./ Muy relacionada con la experimentación inteligentes a partir de las observaciones .
y la medición está la aptitud para deducir conclusiones
./ Siempre se busca la solución óptima (la mejor). Optimización es un término que se aplica al proceso de alcanzar la mejor solución . ./ Las fuentes de información resultan importantes puesto que pueden reducir trabajo, ampliar los conocimientos y permiten lainteracción con personas de otras especialidades . ./ Debe ser capaz de expresarse clara y concisamente si se aspira a ser un buen ingeniero; la aptitud en la comunicación comprende la capacidad de expresarse matemática y gráficamente . ./ La capacidad de trabajar eficientemente con otras personas es de importancia obvia. La práctica de la ingeniería comprende muchas relaciones con numerosas personas; si no se es capaz de mante_ ner relaciones de trabajo cooperativas con ellas, se estará en dificultades.
•
Siguiendo con las cualidades del ingeniero, están las actitudes .
./ Cultivar una actitud interrogante, una curiosidad por el «cómo» y el «por qué» de las cosas. Esa actitud le permitirá obtener mucha información útil y numerosas ideas aprovechables . ./ Al hacer frente a prejuicios, presiones y tradiciones, realizar evaluaciones y tomar decisiones."-",
hay que esforzarse en tener objetividad al
./ Se espera que un ingeniero asuma una verdadera actitud profesional hacia su trabajo, hacia la gente que sirve, hacia aquellos a quienes afectan las soluciones halladas por él y hacia sus colegas. El erdadero profesional sirve a la sociedad como un experto así que el cliente confía y debido a esta confianza, el ingeniero tiene la obligación de desempeñar sus servicios con apego a la ética.
La obligación profesional comprende algo más que limitarse a vivir de acuerdo con la confianza depositada por aquellos a quienes sirve y que resultan afectados por su abajo, incluye también: Insistencia en considerar a fondo un proyecto hasta tener una solución bien fundamentada . ./ El deseo de sostenerse en esa solución con el objeto de aprovechar la experiencia ~btenida . ./ La firme voluntad de mantenerse informado de las mejores prácticas o procedimientos y de los 'fumas adelantos y utilizar/os. Un sentido de responsabilidad hacia los colegas que se manifieste en las acciones, en los intentos e mejorar las condiciones del grupo profesional al que se pertenezca y la disposición para intercam_ biar información «no clasificada» con otras personas de la p ofesión . ./ Mantener en estricta reserva las ideas no patentac!as, los procesos secretos, los métodos de características únicas o especiales, que proporcionan a nu diente una ventaja sobre sus competL dores.
AUTOMATIZACIÓN INDUST 1. Perfil del Ingeniero de A "
./
Un anhelo de contribuir al
./
Tener una mente abierta
ORATORIO
5
e la humanidad mediante su trabajo y consejo . ó"
teorías¡ a las nuevas ideas y a las
i
.esta a lo nuevo y diferente. do es en la tecnología .
Hay que ser receptivo a las nuevas
./ Por último se considera el deseo la capacidad de auto superación permanente. Esta capacidad se logra con la experiencia¡ los libros¡ revistas¡ las conferencias¡ visitas técnicas¡ publicaciones y los cursos de postgrado. Desde luego¡ el auto-mejoramiento continuo¡ además de ser una obligación profesional¡ es una buena inversión en el sentido personal y financiero.
1.4.
Características del Ingeniero Acreditación (1)
para la
El perfil del egresado destaca, en lo esencial, el conjunto de capacidades y atributos que debe adquirir el estudiante al egresar de la carrera, Constituye un refe_ rente fundamental para el diseño y la revisión curricular, para la gestión docente, así como para la evaluación y acreditación de la carrera. (1) El texto del numeral 1.4 es tomado de la siguiente dirección electrónica: www.mec.gov.py/aneaes/docs/Perfil%20Ingen
ieria %20en%20validacion
El siguiente informe es la recopilación de varias fuentes bibliográficas¡ internacionales de diversas organizaciones¡ entre los que cabe mencionar: ••
%20 hasta%. tanto
regionales
como
MEXA: Mecanismo Experimental de Acreditación ABET: Accreditation Board for Engineering and Technology Career Space: Generic ICT Skill profiles RIACES: Red Iberoamericana de Agencias de Acreditación de la Educación Superior CNAP: Comisión Nacional de Acreditación- Gobierno de Chile Proyecto Alfa Tuning - América Latina.
El ámbito laboral del egresado de una carrera de Ingeniería es muy amplio y poco previsible. El egre_ sado de una carrera de Ingeniería puede trabajar en proyectos y diseños variados¡ gestión¡ operación¡ mantenimiento¡ desarrollo¡ ventas entre otros. Por lo tanto¡ los ingenieros deben poseer conocimientos básicos generales y relevantes¡ lo que no exduye el desarrollo de capacidades específicas actuales de gran pertinencia y vigencia profesional. Las capacidades sistémicas comprenden la capacidad de analizar¡ representar y separar sistemas¡ de aislar blernas y resolverlos. Estas capacidades están estrechamente vinculadas a los atributos y capa " '2' ese las personas tales como el trabajo en equipo, la comunicación personal, la formulación e píl:1:Jlt:fllilSI la recuperación de información entre otras. egresados necesitan poseer un amplio conjunto de capacidades técnicas y los que trabajan =---=~-naG'as áreas especializadas necesitan capacidades específicas más exhaustivas. Y es funda_ ----paz de tomar la iniciativa y proponer soluciones para sistemas o resolver problemas. ::_=s= __~ ~ "ecnologías mejoran y cambian con rapidez, es posible que algunos elementos _ -"~ an relevancia con el tiempo y que haya aspectos nuevos que requieran mayor ~ -~ en su estudio para lograr un conocimiento más completo.
6
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
1. Perfil del Ingeniero
de Automatización
Las competencias del egresado constituyen la base para que a partir de las mismas y, por ejemplo, con el ejercicio profesional o estudios de postgrado, se puedan generar otras competencias. Por lo expuesto, la carrera debe garantizar que los profesionales que titula: •
Han adquirido las competencias necesarias para aplicar un cuerpo distintivo de conocimientos científicos, matemáticos y tecnológicos en un contexto general, tomando en consideración las restricciones impuestas por las finanzas, la legislación, la ética y las personas,
•
tienen capacidad de innovación, creatividad y habilidad específica, centrada en el diseño, gestión y producción de proyectos de desarrollo, procesos de producción y procedimientos de operación y mantenimiento, en áreas de infraestructura, bienes y servicios para la industria y la comunidad, en diversos ámbitos de la ingeniería,
•
cuentan con las competencias necesarias para prever el comportamiento de un diseño o los resultados de un programa y para evaluar costos y beneficios de las actividades propuestas,
•
son capaces de desarrollar las competencias continua, incluyendo estudios de postgrado.
necesarias para una educación permanente
y
Es importante mencionar que los criterios, cuyo cumplimiento se exige en el proceso de acreditación, son los mínimos requeridos para la acreditación de una carrera de grado en Ingeniería y es responsa_ bilidad de la carrera demostrar que efectivamente los cumple. Sin embargo, es recomendable que la carrera incorpore otros criterios propios que considere adecuados para el logro del perfil del egresado.
1. Definición del profesional El Ingeniero es un profesional universitario que con el conocimiento de las ciencias matemáticas y naturales adquiridas mediante el estudio, la experiencia y la práctica, lo emplea con criterio, a fin de desarrollar condiciones en que se puedan utilizar de manera óptima los materiales y las fuerzas de la naturaleza en benefi~io de la humanidad, considerando restricciones físicas, económicas, ambientales, humanas, éticas, políticas, legales, culturales, siendo esencial la actualización profesional permanente.
2. Áreas de conocimiento
2.1.
Conocimientos básicos generales
Las capacitaciones técnicas necesarias tienen como base un amplio espectro de conocimientos en matemáticas, física, ciencia y tecnología. Tales conocimientos básicos son esenciales para un entendL miento general de los procesos naturales y su utilización en aplicaciones técnicas; en cualquier caso, sirven también como fundamento para adquirir conocimientos más amplios y profundos en un campo de aplicación especializado. La base científica abarca los principios fundamentales relacionados con los conceptos utilizados en la práctica de la ingeniería y debe facilitar la comprensión de los métodos científicos utilizados para el análisis y el diseño. La base tecnológica se centra más en proporcionar una visión general de las distintas tecnologías disponibles, las funciones que pueden realizar y sus ventajas y limitaciones. Estos temas deben desarrollarse de forma articulada; es importante insistir en los vínculos que existen entre las bases científicas y las tecnológicas. Se considera que todos los egresados en ingeniería necesitan esta base sólida y amplia de ciencia y tecnología.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 1. Perfil del Ingeniero de Automatiza -'
2.2.
7
Base de aplicaciones
Para atender las demandas del p esto de trabajo, los egresados en ingeniería necesitan adquirir también un profundo conocimiento básico de sus campos de especialización, un conocimiento general e los métodos de resolución de problemas y, finalmente, el conocimiento de aplicaciones particulares seg' n las demandas del lugar de trabajo para el perfil de ese puesto en particular. requisitos básicos, en este caso, el conocimiento de las funciones del sistema en el campo en estión y la comprensión de las posibilidades que brinda la tecnología actual para realizar o implantar 50S funciones con la ayuda de procedimientos.
íTI
la creciente complejidad de los aparatos, equipos y sistemas modernos, es cada vez más rtante ser capaz de ver las cuestiones en su conjunto, pensar en términos de sistemas y nicarse a nivel de sistemas con todos los que trabajan en un mismo proyecto y con los clientes.
2.3.
Complementarias de la Formación
Constituyen la base para la generación de las capacidades y actitudes personales y empresariales actuales currículos de ingeniería. Es importante que estos se diseñen de forma que contemplen e [icación y el desarrollo continuos de las capacidades personales y empresariales por medio de ed:os en equipo, simulaciones comerciales, negociaciones, presentaciones, etc., a lo largo de toda también prestarse una atención especial a la integración de la enseñanza de estas capacidades y es personales y empresariales esenciales en áreas temáticas más técnicas. Además, este grupo terias deben proveer al egresado de las capacidades para comprender su responsabilidad en ru,::su"lOneslegales, éticas y contractuales relacionados a su trabajo y las habilidades para expresar y tcarse eficazmente.
3. Atributos 3.2.
Asumir su compromiso con la calidad y la preservación del medio ambiente
3.3.
ser coherente en su actuar profesional con el entorno respetando la diversidad cultural y en búsqueda permanentemente del mejoramiento de la calidad de vida del ser humano
3.4.
Responsabilidad profesional
. Capacidades
4.2.
Habilidades
4.2.1. 4.2.2. 4.2.3.
4.3.
Habilidad para analizar, representar y separar sistemas Habilidad para aislar problemas y resolverlos Habilidad para aplicar conocimientos de Matemáticas, Ciencias e Ingeniería
Competencias Genéricas del Egresado
4.3.1.
Capacidad para el uso de las tecnologías de la información y de las comunicaciones
4.3.2.
Comunicarse de forma eficaz en su idioma natal y en inglés Capacidad para trabajar en grupos multidisciplinarios Capacidad para comprender su responsabilidad en cuestiones legales, éticas y
4.3.3. 4.3.4.
AUTOMATlZACIÓN INDUSTRIAL: TEO
RATO RI O
8
1. Perfil del Ingeniero de Automatizctiñl
4.3.5. 4.3.6.
4.4.
contractuales relacionados a su trabajo Capacidad para tomar iniciativa, investigar e innovar Capacidad para autoaprendizaje y actualización de conocimientos . incluyendo estudios de postgrado
permanente,
Competencias Específicas del Egresado
4.4.1.
4.4.2. 4.4.3. 4.4.4.
Capacidad para diseñar sistemas, componentes o procesos que satisfagan requerimientos con restricciones reales de tipo económico, ambiental, social, político, ético, salud y seguridad, de fabricación y sustentable. Conocimiento de las técnicas y herramientas actuales de la Ingeniería y destreza suficiente para utilizarlas en la práctica Capacidad para formular y evaluar proyectos en el área de su formación Capacidad para identificar, formular y resolver problemas de Ingeniería relacionado con el área de su formación
5. Requisitos mínimos Las capacidades técnicas necesarias tienen como base un amplio espectro de conocimientos en matemáticas, ciencia y tecnología. Tales conocimientos básicos son esenciales para un entendimiento general de los procesos naturales y su utilización en aplicaciones técnicas; en cualquier caso, sirven también como fundamento para adquirir conocimientos más amplios y profundos en un campo de aplicación especializado.
5.1.
Conocimientos en ciencias básicas
Estos estudios estarán orientados al énfasis de los conceptos y principios matemáticos más que a los aspectos operativos. Deberán incluir Física y Química, opcionalmente Biología y otras ciencias natura_ les en niveles y enfoques adecuados y actualizados. Además, en el área de la Matemáticas: Cálculo Diferencial e Integral y Ecuaciones Diferenciales, Probabilidad y Estadística, Algebra Lineal, Análisis Numérico y Cálculo Avanzado.
5.2.
Conocimientos en ciencias de la ingeniería
Estos temas deben desarrollarse de forma articulada; es importante insistir en los vínculos que existen entre las bases científicas y las tecnológicas. Se considera que todos los egresados en ingeniería necesitan esta base sólida y amplia de ciencia y tecnología. Estos estudios abarcarán, entre otros temas: Mecánica, Calor y Termodinámica, Circuitos Eléctricos y Electrónicos, Ciencias de los Materiales, Fenómenos de Transporte, Ciencias de la Computación, junto con diversos aspectos relativos a la disciplina específica. Los principios fundamentales de las distintas disciplinas deben ser tratados con la profundidad conveniente para su clara identificación y aplicación en las soluciones de problemas bási_ cos de la Ingeniería.
5.3.
Base de aplicaciones de ingeniería
Deben ser incluidos los elementos fundamentales del diseño de la Ingeniería, abarcando aspectos tales como: formulación y evaluación de proyectos, modelado y simulación de sistemas por medio del desa_ rrollo de la creatividad, empleo de problemas abiertos, metodologías de diseño, factibilidad, análisis de alternativas, factores económicos y de seguridad, estética e impacto social.
5.4.
Complementarias de la formación
Estos estudios se referirán a una formación complementaria basada en materias como Seguridad en el Trabajo, Gestión de la Calidad, Economía, Admini5trcdón, Finanzas, Organización industrial, Ciencias Ambientales, Legislación Laboral, entre otros.
I UTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
9
erfil del Ingeniero de Automatizadán
irectrices de formación práctica - c::csta con aprender cuestiones técnicas o de otra Índole y aprobar los exámenes; las técnicas -~ que utiHzarse en situaciones reales. Es muy importante insistir en las conexiones que existen __ :::: rrerentes aspectos, fomentar una concepción amplia de los sistemas e ilustrar las limitaciones ~/ tecnológicas y humanas de la resolución de problemas en el mundo real.
Aplicación del conocimiento _
2;x:ddades
::í=:
deben adquirirse a lo largo del proceso enseñanza-aprendizaje.
::c::e ' ropender en el currículum instancias para la aplicación del conocimiento, C"' 05 o de actividades destinadas específicamente a ese fin.
sea dentro de las
"=
Pasantías supervisadas
:=:
- _-3::'2
a conocer mejor los problemas del ámbito laboral, se exige que los estudiantes realicen barales. Eso no sólo les dará experiencia en la resolución de problemas reales, sino que ayudará a determinar con mayor claridad el tipo de trabajo que les gustaría encontrar su graduación. Por otra parte, puede ofrecerles la oportunidad de establecer contactos y beneficio mutuo.
yecto de fin de carrera I importancia para adquirir las capacidades básicas, la cual debe implicar la búsqueda, de información que tiene por objetivo el diseño de una propuesta de solución a 02 es o teóricos, referente a sistemas, componentes o procesos cuyo resultado sea un azonado sobre el tema en cuestión. El informe técnico debe tener una instancia de
5i;";"Bis'
-=e-:;-:::: --
jurado designado para el efecto.
:=---:2
Problemas en Ingeniería -
f
a general, se puede afirmar que un ingeniero es un solucionador de onces se presenta una definición de problema:
o' Problema un sentido amplio, es una discrepancia entre una situación observada y una situación :::.=;=::c.. - - ~emplo, en el caso particular del proceso de fabricación de un producto químico: vada: Están identificadas algunas variables que reducen el nivel de acidez del producto se ha determinado cuáles son las variables de mayor incidencia ni cómo se puede elevar c::a res deseados.
:e::: =s:::
:eseada: Definir una metodología de estudio que implique análisis y síntesis para evaluar factores que inciden en el nivel de acidez del producto, luego de lo cual, se efectúan los urante el proceso de fabricación del producto, para que, finalmente, cumpla con las =.s::e:cr:c-c'iones de acidez. --
proviene del deseo de lograr la transformación de un estado de cosas en diferente a un ejercicio. En los ejercicios se puede decidir rápidamente si -= 52: e o no resolver; se trata de aplicar un algoritmo y el ejercicio se resuelve. ema
l es muy
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 1. Perfil del Ingeniero de Automatizacián
10
En los problemas no es evidente el camino a seguir. Hay que recurrir a conocimientos dispersos que involucran todas las cualidades anotadas anteriormente, hay que rela_ cionar saberes procedentes de campos diferentes, de aquí la importancia del trabajo multidisciplinario. Por tanto, un problema es una cuestión a la que no es posible contestar por aplica_ ción directa de ningún resultado conocido con anterioridad, sino que para resolverlo es necesario poner en juego conocimientos diversos y buscar relaciones nuevas entre ellos. Para resolver problemas no existen fórmulas mágicas, no hay un conjunto de procedL mientos o métodos que aplicándolos, lleven necesariamente a su resolución; pero esto no significa que la única manera de resolver un problema sea por «ideas lumL nosas». Es evidente que hay personas que tienen más capacidad para resolver problemas que otras con igual formación. Son estas personas las que suelen aplicar (de una manera inconsciente) toda una serie de métodos y mecanismos que suelen resultar indicados para abordar los problemas. Son los procesos que se conocen como «heurísticos», abstracciones mentales útiles para resolver problemas. Para la resolución 1. Comprender
del problema
el problema.
se proponen
cuatro etapas:
Es la tarea más difícil, pero vital. Para ello:
* Se debe leer el enunciado despacio. * Identificar * Identificar
los datos (lo que se conoce) las incógnitas (lo que se busca) * Tratar de relacionar los datos con las incógnitas. * Si es posible, hacer un esquema o diagrama de la situación. 2. Trazar un plan para resolverlo. Hay que plantearlo de una manera flexible siva alejada del mecanicismo. Se plantean algunas interrogantes:
y recur_
* ¿El problema es semejante a otros ya resueltos o conocidos? * ¿Sepuede plantear el problema de otra forma?
* Imaginar
un problema parecido pero más sencillo
* Si el problema ya está resuelto, ¿cómo se relaciona la situación de llegada con la de partida? * ¿Seutilizan todos los datos cuando se hace el plan? 3. Poner en práctica el plan. Se debe hacer de una manera flexible, recursiva y aleja_ da del mecanicismo. Tener en cuenta que el pensamiento no es lineal, que hay saltos entre el diseño del plan y su puesta en la práctica. Así que:
* Al ejecutar el plan se debe comprobar cada uno de los pasos. * Verificar cada paso.
* Antes de hacer algo, pensar: ¿qué se consigue con esto? * Se debe sustentar cada paso realizado con una explicación detallando lo que se hace y para qué
se hace. * Cuando se tropieza con alguna dificultad, se debe volver al principio, reordenar las ideas y probar de nuevo.
11
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
1. Perfil del Ingeniero de Automatización
4. Comprobar los resultados. Es la confrontación del resultado obtenido por el modelo propuesto para la resolución del problema y su contraste con la realidad que se quería resolver.
* Leer de nuevo el enunciado y comprobar que lo que * La solución obtenida: ¿es lógicamente posible?
se pedía es lo que se ha obtenido.
* ¿Hay algún otro modo de resolver el problema? (Hay otra posible solución? * Se debe acompañar la solución de una explicación que indique claramente lo que * Los resultados
se ha hallado. obtenidos y el proceso seguido se utilizan para plantear nuevos problemas.
Se presenta a continuación una lista de técnicas heurísticas de uso frecuente, que se agrupan en tres fases:
Análisis.
1. 2. 3.
Trazar un diagrama. Examinar casos particulares. Probar a simplificar el problema.
Exploración. 1. 2. 3.
Examinar problemas esencialmente equivalentes. Examinar problemas ligeramente modificados. Examinar problemas ampliamente modificados.
Comprobación de la solución obtenida. 1.
2.
Verifica la solución los criterios específicos siguientes: a) ¿Utiliza todos los datos pertinentes? b) ¿Está acorde con predicciones o estimaciones razonables? c) ¿Resiste a ensayos de simetría, análisis dimensional o cambio de escala? Verifica la solución los criterios generales siguientes: a) ¿Es posible obtener la misma sofución por otro método? b) ¿Puede quedar concretada en casos particulares? c) ¿Es posible reducirla a resultados conocidos? d) ¿Es posible utilizarla para generar algo ya conocido?
Finalmente, se hace una recopilación de las estrategias más frecuentes que se suelen utilizar en la resolución de problemas: Ensayo-error. Empezar por lo fácil, resolver un problema semejante más sencillo. Manipular y experimentar manualmente. Descomponer el problema en pequeños problemas (simplificar). Experimentar y extraer pautas (inducir). Resolver problemas análogos (analogía). Seguir un método (organización). Hacer esquemas, tablas, dibujos (representación). Utilizar un método de expresión adecuado: verbal, algebraico, gráfico, numérico. Sacar partido de la simetría. Deducir y sacar conclusiones. Conjeturar. Analizar los casos límite. Reformular el problema. Suponer que no (reducdó Empezar por el final (dar
al absurdo). roblema por resuelto).
AUTO MATIZACIÓN
1.
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
12
Perfil del Ingeniero de Automatizacié
1.6.
Conclusiones Como síntesis del capítulo, se tiene:
./ Un ingeniero es un solucionador de problemas. Los conocimientos que ha adquirido, por su preparación y experiencia son una fuente importante; pero también tiene que emplear su ingenio. Al evaluar las diversas posibilidades debe confiar en su juicio o criterio personal: el juicio o criterio personal que se adquiere con la experiencia, es un exigente aspecto del trabajo diario del ingeniero . ./ En casi todo proyecto de ingeniería hay un aire de urgencia; se fijan fechas límites para obtener una solución, periodos de tiempo limitados para desarrollar los proyectos y se urgen soluciones prontas . ./ El grado en que intervienen consideraciones económicas en los trabajos de ingeniería no es exage_ rado: una empresa privada no inicia una aventura que no tenga una prometedora posibilidad de rendir beneficio económico a la inversión. Aun cuando una solución lograda por el ingeniero pueda desempeñar admirablemente la función propuesta, tal solución se desechará si no produce una ganancia neta a la empresa o a la sociedad. En consecuencia, el ingeniero debe tener presente en sus desarrollos y diseños los costos: el costo al desarrollar y el costo al realizar y utilizar su solución . ./ A un ingeniero debe interesarle la productividad de sus creaciones, desde el punto de vista técnico (¿puede hacerse realmente?), de aplicación (¿es útil?) y económico (¿podrá realizarse a un costo admisible?) . ./ En la mayor parte de los problemas de ingeniería hay objetivos o metas conflictivas, tendrá que hallar el mejor balance entre los criterios en conflicto .
el ingeniero
./ La comunicación o contacto con la gente requiere la mayor cantidad de tiempo de trabajo de un ingeniero; consecuentemente, la incapacidad de mantener relaciones personales satisfactorias puede llegar a ser un severo obstáculo para su éxito; el ingeniero está fuertemente comprometido con las necesidades sociales, así como con la aceptación y efectos de sus obras .
y
./ Un ingeniero suele realizar la mayor parte de la resolución de problemas con trabajo abstracto: examinando hechos y observaciones, calculando, modelando, pensando y comunicando ideas; los técnicos son usualmente los encargados de construir los prototipos o creaciones del ingeniero.
Sintetizando:
La ingeniería es la aplicación de ciertos conocimientos, habilidades y actitudes principalmente en la creación de obras y dispositivos físicos que satisfagan necesidades y deseos de la sociedad.
Para la solución de un problema en ingeniería se propone el siguiente proceso: • Formulación del problema: el problema de que se trate se define en forma amplia y sin detalles. • Análisis del problema: en esta etapa se define con todo detalle. • Búsqueda de soluciones: las soluciones alternativas se reúnen mediante indagación, investiga_ ción, invención. • Decisión: todas las alternativas se evalúan, verificando que cumplen con las restricciones del problema; se escoge la solución óptima. enta detalladamente. • Especificaciones: la solución elegida se expone y El proceso de diseño abarca las actividades y eve problema y la especificación de una solución del mis
nscurren entre el reconocimiento 'onal, económica y satisfactoria.
del
'f
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
1. Perfil del Ingeniero de Auto
TE
RATORIO
13
~"- - _.
El trabajo de un ingeniero no ~E I - - el especificar la solución; su responsabilidad se extiende hasta la obtención de la aceptación de s , la vigilancia de su instalación o construcción y su uso inicial, la observación y evaluación del rante su funcionamiento y la decisión (o la ayuda para tal decisión) de cuando sea aconseja uevo diseño. Estas funciones constituyen el ciclo de diseño.
Ejercicio 1.1 1.
Extraer del capítulo 10 palabras claves; escribirlas y enunciar su significado.
2.
Como aplicación del capítulo, invente algún problema de ingeniería electrónica y aplique alguna metodología para llegar a la solución. Explique con detalle cada uno de los pasos desarrollados.
3.
De acuerdo a su experiencia académica, qué asignaturas suprimiría y qué asignaturas se pueden incluir en el programa de la carrera.
4.
¿Cuál es la diferencia entre científico e ingeniero?
5.
Si tiene la posibilidad de impartir una cátedra y de acuerdo a su experiencia como estudiante, qué no haría que haya hecho algunos de sus profesores?
6.
Como ingeniero electrónico, ¿en qué campo le gustaría desempeñarse, qué tema de investigación se puede emprender en ese campo y qué tipo de beneficio esperaría si se desarrollará esa investiga_ ción?
7.
¿Qué opina de los ingenieros que dedican su talento a desarrollar armas utilizadas bélicamente?
8.
Para la ingeniería, ¿qué beneficios pueden traer los procesos de globalización y tratados ejemplo el TLC) de Colombia con otros países? ¿Qué dificultades pueden surgir?
9.
(por
¿Cómo es la relación entre ética e ingeniería?
10. Desde el punto de vista del ingeniero, ¿cómo se puede disminuir o cerrar la brecha tecnológica entre los países desarrollados y un país como Colombia? 110 Qué opina de los siguientes comentarios expresados, en general, por los empresarios: «Los ingenieros en nuestro medio no saben definir problemas, dificultad para trabajar en equipo, hablar en público y realizar informes, valoración del tiempo y dinero (cronograma Y presupuestos), 000»
12. ¿Qué papel puede desempeñar un ingeniero electrónico en campos como la agricultura, mía, veterinaria y otros, en nuestro País?
agrono_
13. Suponer que es contratado para desarrollar la a omatización de una planta, en donde el proceso de fabricación actual es el 80% manual y se quie e a atizar para que sólo quede un 10% manual. e la fábrica en cuanto a la mano de obra ¿Qué estrategias y recomendaciones sugiere a los ir cesante?
i
14.
Suponga que tiene la opción laboral de ejerce _ c_ istrativo, estando recién egresado ¿considera que los conocimientos adquiridos en la -!o, _o::::::: so suficientes para enfrentar este reto? ¿Qué otras características o cualidades debe te ~-
15.
Considera que el idioma es una barrera para el puede ser este aspecto laboralmente?
--
J::::. ~
_
i
eniero. ¿Qué tan importante
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
14
1. Perfil del Ingeniero de Automatización
16. El siguiente es un artículo titulado: «La ingeniería del siglo XXI se enfrenta a 14 desafíos importantes» y es tomado de la siguiente dirección electrónica: http://www.tendencias21.net/Laingenieria-del-siglo-XXI -se-enfrenta-a-14-desafios-principales a2082. html. Los retos mencionados allí son: - Conseguir que la energía solar sea accesible - Suministrar energía a partir de la fusión - Desarrollar métodos de secuestración del carbono -
Gestionar el ciclo del nitrógeno Suministrar acceso al agua potable Restaurar y mejorar las infraestructuras urbanas Avanzar en la informática para la sanidad Diseñar mejores medicamentos Hacer ingeniería inversa del cerebro Prevenir el terror nuclear Proteger el ciberespacio Enriquecer la realidad virtual Avanzar en el aprendizaje personalizado Diseñar herramientas para el descubrimiento científico
Para cada uno de los retos mencionados, ¿cómo puede contribuir el ingeniero electrónico?
17. Las siguientes son actividades en las que se puede dedicar el ingeniero. Es tomada del artículo titulado: «Actuación de los Ingenieros en su actividad cotidiana», en la siguiente dirección: http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/lntroduccion/tema8ii.htm . • Diseño • Construcción • • • • • • •
Conservación y mantenimiento Supervisión Planeación, evaluación, asesoría o consultoría Investigación Comercio o ventas Enseñanza Administración
¿Con cuál de las actividades mencionadas se identifica?
18.
Escribir un ensayo de uno de los siguientes temas:
• La violencia en Colombia. • • • • • •
La contaminación del río Bogotá. La inseguridad en nuestras ciudades. Alto nivel de desempleo. La educación primaria en Bogotá. Papel del ingeniero en zonas sociales deprimidas. Situación de recesión económica.
• La corrupción política. • Motivar la modernización de industrias pequeñas. • Cómo relacionar la Universidad-Industria. • Posición del ingeniero en el tema ambiental, en sus proyectos a empresas que contaminan. • Existe peligro con la automatización? • Otro tema ...
Mostrar la participación, incidencia y rol a favor o en contra que el ingeniero electrónico puede tener.
Fin ejercicio 1
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEO 2. Automatización Industrial
y lABORATORIO
15
2. Automatización Industrial
2.1.
Introducción
Las técnicas y sistemas de producción han ido cambiando al transcurrir los años¡ desde los primitivos hasta los más sofisticados. La fábrica actual se ve enfrentada a una serie de situaciones diversas de las que debe emerger con el objeto de sobrevivir. Algunas de estas situaciones son: • Mercados. una competencia cada vez más intensa motivada por la supervivencia, los intereses de grUpo y las grandes fusiones entre empresas, una demanda de bienes y servicios más personalizada, que exige productos hechos a medida y con una calidad más alta. • Productos. siendo los productos el ser de las fábricas, se están desarrollando una gran variedad de modelos con características de mayor precisión y mejor calidad, una más rápida obsolescencia de los mismos (por ejemplo los equipos informáticos y electrónicos). Se incluyen los servicios a cliente (que constituyen un área de gran desarrollo a nivel mundial). • Materiales. la gran diversidad de materiales ya evolucionados, unos, y otros, que se encuentran en desarrollo, constituyen una hiperoferta de materiales cada vez mejor adaptados a nuevos usos o que reemplazan a materiales tradicionales. • Tecnología: La oferta de nuevos materiales y la vida útil de los productos de consumo obligará a tener tecnología de mayor flexibilidad, con mayor velocidad de respuesta a las necesidades de los clientes y a operar en series cortas de producción, actualizando al mismo tiempo y en forma perma_ nente los conocimientos y capacitación de la fuerza laboral y, por último, experimentando nuevas tecnologías.
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
2. Automatización Industrial
16
• Recursos. La fábrica se enfrentará a aumentos en los costos de los materiales, en los recursos humanos, en los financieros y en la transferencia de tecnología, razón por la cual se deberá analizar detenidamente la participación más conveniente de los recursos propios.
La automatizacíón de los procesos industriales constituye una alternativa de las indus_ trias, en su incesante búsqueda de la competitividad, en un ambiente cambiante y agresivo. Este capítulo inicia el estudio de la automatización industrialy se extenderá a todo el libro, como objetivo principal.
2.2.
Evolución Histórica
Se cree que cuando el hombre primitivo usó el fuego, lo utilizó para prepa_ rar sus alimentos, como medio de defensa y de poder. Tuvo que pasar mucho tiem_ po, hasta la edad de bronce, en donde el fuego lo utilizó en la obtención de metales y cerámicas, considerando estos, los primeros procesos de fabricación de la historia. Pero el fuego no ha sido la única fuente de energía de la antigüedad. Hacia el año 2000 a de JC, se utilizó la energía eólica para mover embarcaciones dotadas de velas y hacia el 1000 a de JC, los Fenicios atravesaban el Mediterráneo con sus navíos impulsados por el viento. Más tarde, en el 50 a de JC, los Romanos empiezan a utilizar la energía hidráulica para la extracción de agua por medio de la noria. Durante la edad media, se utilizó en Europa la energía generada por los molinos de viento. La invención de la máquina de vapor por James Watt hacia 1750 es el acontecimiento que marca el inicio de la revolución industrial. Como se observa en la Figura 2.1, la máqui_ na estaba provista de dos automatismos: el distribuidor de vapor y el regulador de bolas, que mantenía constante la velocidad del árbol de salida, a pesar de las varia_ ciones de la carga; este mecanismo presenta control. Las tecnologías productivas nacen en ese momento: la máquina de vapor se emplea rápidamente para mover las bombas de extracción de agua en las minas de carbón de Gales y en la automatización de los telares de Manchester. Durante este periodo, con las máquinas de vapor y luego con las de combustión interna y los motores eléctricos, se van produciendo cambios progresivos en los procesos de producción. Las máquinas herramienta ganan potencia y precisfón lo que a su vez permite fabricar productos de mayor calidad. Surgen así los primeros talleres mecánicos que producen máquinas, algunas de las cuales llevan ya rudimentarios sistemas de control.
-:=:a::J
AUTO MATIZACIÓN INDU~ 2. Automatización Indust:Ii!:
17
MOTOR COME
13.E--.
Figura
2.1.
R-.,,<;;ulaI:>{){
de Doble Efecto de la Máquina de Vapor
Hasta los primeros años de la década de 1950, la mayor parte de las operaciones de manufactura era efectuada con maquinaria tradicional como tornos, fresadoras y prensas, que carecía de flexibilidad y necesitaban de mucha mano de obra capacitada. Cada vez que se fabricaba un producto diferente había que cambiar las herramientas. El desarrollo de nuevos productos y piezas con formas complicadas, requirió muchas pruebas por parte del operario para establecer los parámetros de procesamiento adecuados en la máquina. Además, por la intervención humana, era difícil obtener piezas que fueran iguales y sus tiempos de fabricación eran muy grandes. Estas circunstancias indicaban que los métodos de procesamiento eran ineficientes y los costos de mano de obra, eran una parte importante de los costos generales de producción. Se hizo imperiosa la necesidad de reducir el efecto del costo de mano de obra en el costo del producto, así como la necesidad de mejorar la eficiencia y la flexibilidad de las operaciones de manufactura, requisitos impuestos por la alta competitividad. Otro aspecto que entró a ser muy importante en la manufactura, es la productividad. La productividad se define como el uso óptimo de todos los recursos (materiales, energía, capital, mano de obra y tecnología), básicamente mide la eficiencia de la operación. La mecanización hace que un proceso funcione usando diversos dispositivos mecánicos, hidráulicos, neumáticos o eléctricos, así que para aumentar la productividad se meca_ nizó la maquinaria. Sin embargo, en los sistemas mecanizados el operador sigue controlando en forma directa el proceso y debe revisar cada paso del funcionamiento de la máquina; por ejemplo: si se rompe una herramienta durante el maquinado, si las piezas se sobrecalientan durante el tratamiento térmico, si se deteriora el acabado
18
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatización Industrial
superficial durante el rectificado, etc., el operario debe intervenir y cambiar o ajustar uno o más parámetros en el proceso. El siguiente paso en la mejora de la eficiencia en las operaciones de manufactura fue la automatización (del griego automatos¡ que actÚa sólo). Esta palabra se utilizó a mediados de 1940 en la industria automotriz estadounidense, para indicar el manejo y procesa_ miento automático de las piezas en las máquinas de producción. Con el rápido progreso de la ciencia y la tecnología en la manufactura a lo largo del siglo XX, especialmente en la capacidad y sofisticación de las computadoras y los sistemas de control, comenzó a mejorar la eficiencia de las operaciones de manufactura, incrementando la productividad y reduciendo el· porcentaje que representan los cos_ tos de mano de obra en el costo total. El gran avánce de la automatización se comenzó con el control numérico (CN) de las máquinas-herramientas a principios de 1950. A partir de ese momento histórico en la industria, se ha avanzado muy rápidamente; como se mencionó, el desarrollo de las computadoras y su introducción en la automatización, impulsó tecnologías como el control numérico computarizado (CNC), control adaptativo (CA), controladores lógicos (PLC) sistemas de manufactura integradas por computadora, que incluyen el diseño, la ingeniería y la manufactura asistida por computadora (CAD¡ CAE¡ CIM¡ CAM).
2.3.
Automatización Una definición de automatización es: el proceso de hacer que las máquinas sigan
un orden predeterminado
de operaciones
con poca
o
ninguna
mano de obra, usando equipos y
dispositivos especia/izados que ejecutan y controlan los procesos de manufactura.
;;.-
La automatización, de manera global, involucra diversos dispositivos, sensores, actua_ dores, técnicas y equipos capaces de observar y controlar todo el proceso de manu_ factura, de tomar decisiones acerca de los cambios que deben hacerse en la opera_ ción y de controlar todos los aspectos de ésta. En las plantas manufactureras, tes fases del proceso de fabricación:
la automatización se ha implementado en las siguien_
•
Proceso de manufactura:
se han automatizado
operaciones de maquinado¡ forjado¡ extrusión.
•
Manejo de materiales. se automatiza el traslado y transporte de las piezas por la planta.
• Inspección: Las piezas son inspeccionadas automática mente para comprobar su calidad¡ precisión dimensional y acabado superficial¡ bien durante el proceso de fabricación (inspección en proceso) o después de terminada (inspección pos-proceso). • Ensamble: Las piezas individuales se arman o ensamblan en forma automática ensambles y¡ por último¡ productos. •
Empaque: Los productos se empacan en forma automática.
para formar sub-
\'-.
AUTO MATIZACIÓN INDUST 2. Automatización Industrial
Algunas teorías, tecnolog'cé. los procesos produdiv s
TORlO
-
=.:::5
-=r-._
19
~icas cuyo avance ha favorecido la evolución de ción son:
Teorías: Teoría de control y de siste .es, -=- -,2.:::C Redes de Petri, Grafcet, ea "
;:¡
señal, sistema de eventos discretos, máquina de estados,
Tecnologías: Neumática, hidráulica, elea:ro,r¡,lCalliTi.;a{)j)f(>cesadores, equipos de cómputo, controladores e software. bles, robótica, comunicacio esl
programa_
Áreas tecnológicas: Automatización de las máquinas erra ientas, control de procesos por computador, diseño asistido por computador (CAD: Computer - 'ed Desígn), fabricación asistida por computador (CAM: Computer Assisted Manufacturíng), fabricación integral por computador (CIM: Computer Integrated Manufac turíng), control de procesos distribuido, control numérico (Numeríc Contro~, células flexibles de fabrica ción (FMC: Flexible Manufacturíng ce/~ y de montaje.
2.4.
Objetivos de la Automatización
La automatización constituye uno de los objetivos de la industria moderna permitiéndoles permanecer activas en ese ambiente de alta competitividad. Automatizar un proceso es conseguir que utilizando técnicas de control, funcione sin intervención humana. El alto grado de avance de la tecnología de las computadoras y la informática ha permitido la creación de nuevos conceptos y metodologías para la realización de los procesos de manufactura; la característica de esta nueva revolución tecnológica, es la posibilidad de la completa automatización de los equipos y maquinaria en la industria, así como la integración de sus operaciones. El concepto de integración de todas las operaciones que se realizan en los procesos de fabricación es lo que se conoce moder namente como Ingeniería recurrente. Varios objetivos se buscan con la introducción entre ellos se destacan:
de la automatización
en la industria,
• Integrar diversos aspectos de las operaciones de manufactura para mejorar la calidad y uniformidad del producto, minimizar los tiempos de ciclo y esfuerzos y, con ello, reducir los costos de mano de obra. • Mejorar la productividad, reduciendo los costos de manufactura a través del mejor control de la producción. Las piezas se cargan, alimentan y descargan de las máquinas con más eficiencia; el uso de la maquinaria y la producción se organiza más eficientemente. • Mejorar la calidad de los productos finales empleando procesos más repetibles. • Reducir la intervención humana, minimizando el error humano.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatización Industrial
20
• Reducir daños en las piezas causados por el manejo manual de las partes. • Aumentar el nivel de seguridad para el personal¡ en especial bajo condiciones de trabajos pesados. Se libera al humano de tareas tediosas¡ rutinarias y peligrosas. • Economizar espacio, optimizando el desplazamiento y almacenaje de los productos. • Reducción de costos, incremento de utilidades. • Reducción de las pérdidas en el proceso de fabricación. • Producción del mismo producto con iguales especificaciones. • Organizar el proceso para satisfacer la demanda. • Reducción en los consumos y gastos de energía. • ConselVación del medio ambiente¡ siendo condición de alta prioridad debido a la alta contaminación a que está expuesta la tierra.
.-
Estos objetivos se han ido cumpliendo debido a la alta competitividad, como ya se anotó, y a la internacionalización de los mercados, lo que ha jalonado el desarrollo de la microelectrónica (y nanotecnología), la instrumentación, la aparición e introducción en los procesos de producción de los microprocesadores y las computadoras, sin dejar atrás el rápido y creciente desarrollo en las redes de comunicaciones industriales. ,ij'
2.5.
Tipos de Plantas de Producción
La fabricación es un proceso de transformación mediante el cual el material en bruto, el trabajo, la energía y el equipamiento se reúnen para producir productos de alta calidad. Obviamente el producto terminado debe tener un valor económico mayor que el de los componentes utilizados y debe ser vendible en un entorno competitivo. El proceso de transformación generalmente conlleva una sucesión de pasos llamados operaciones de producción. Cada operación de producción es un proceso de cambio de entradas en salidas mediante la captación de un valor añadido. Entre las operaciones que no añaden valor se incluyen aquellas operaciones que no dan ganancias tales como: transporte, almacenamiento, inspección. Es necesario minimizar esas operaciones que no añaden valor, pero sin suprimirlas. La fabricación es un término muy amplio e incluye muchos tipos de productos y operaciones de producción claramente diferentes. Sin embargo, es posible reconocer fundamentalmente cuatro configuraciones, teniendo en cuenta el número de produc_ tos y volumen de producción: 1. 2. 3. 4.
Job shops Producción por lotes Línea de producción Proceso de flujo continuo
AUTOMATIZACIÓN INDUSTR:.. 2. Automatización Industrial
1. JOB
El trabaj amplia gama de product ción se utiliza generalm trabajo en la planta; est capacitado para enfrenta dos. Ejemplos de este herramientas especiales - '" -
RIO
cteriza por volúmenes bajos de producción con una strias mecánicas de ingeniería. Este tipo de fabrica_ I os de cliente en el que existe una gran variedad de rabajo muy general y flexible y personal altamente es. Los tiempos de producción y costos son eleva_ strucción de naves espaciales, proyectiles, máquinas';Jos de futuros productos.
SHOPS.
=::"-:=iCCC
-
--::
2.
Producción por lotes: = es:=: -=-~-::> =-=-::-::c lotes (batch); los lotes se tamaños de los lotes y s ~ adoptadas en marketing; e, ~~~~ producto. La maquinaria y nes de cambio de lote. El equipo utilizado tambié diseñado para promedios mecanizado, fundiciones, fá dobladoras. Productos elabo a calzado, etc.
21
~ se
_
esarrolla la fabricación de un artículo o producto por sola vez o deben producirse a intervalos regulares. Los -ón se fijan con las políticas de control de inventario anda se ordenará la producción de otro lote o de otro estar preparados para efectuar con rapidez las operacio_ ;;>
• -
general, pero a diferencia de los job shops, el equipo es ás altos. Ejemplos de estas plantas están los talleres de eado plástico, talleres de trabajo con prensas, cortadoras, estas fábricas están los muebles, libros, electrodomésticos,
3.
Línea de producción: Estos p ClC"c50S son el resultado de la evolución de la producción en cadena ideada por Henry Ford. Se utiliza para producir grandes series de unos pocos productos que suelen estar formados mediante montaje de piezas. El producto se desplaza colocado sobre bandas transportadoras, en carros o en otros medios de transporte y va pasando por distintas estaciones de trabajo, en cada una de las cuales se le aplica un determinado proceso. Si una planta utiliza varias líneas de producción, los productos pueden pasar de una línea a otra existiendo muchas configuraciones posibles así como diferentes métodos y mecanismos de transferen_ cia. Se suelen utilizar zonas o recipientes semejantes a pequeños almacenes, para el almacenamiento intermedio de productos semielaborados y alimentadores de piezas para los procesos. Básicamente hay dos tipos de líneas: línea de proceso y línea de montaje. En la línea de proceso un producto o materia prima va pasando por distintos procesos que lo van transformado hasta llegar al producto final; un ejemplo se tiene en el mecanizado de piezas. Las líneas de montaje se utilizan para fabricar productos formados por conjuntos de piezas montadas. Ejemplo la fabricación de automóviles, neumáticos, bombillas, envases de plástico, etc. Este tipo de factoría se diseña para fabricar altos volúmenes de unos pocos productos, así que si se quiere fabricar un producto nuevo, se tienen que hacer cambios muy drásticos en sus instalaciones.
4.
Proceso de flujo continuo: en estos se desarrolla una producción dedicada continua de grandes cantidades de producto. Los tipos de producto son pocos, compuestos de pocas piezas y los volúmenes de producción son muy altos. El proceso de fabricación mantiene un flujo continuo de materiales en bruto mediante una serie de operaciones secuencia les; estas operaciones transforman la materia prima en el producto final. Ejemplos típicos de plantas con procesos continuos están las 'plantas químicas, refinerías de petróleo, plásticos, industrias textiles, etc.
Aunque la continuidad como tal no es común, se utiliza más frecuentemente un siste_ ma de tipo pipeline, donde cada sección de la planta procesa una parte del producto y luego se pasa a otra sección, y así sucesivamente hasta completar el producto final.
(
AUTOMATIZACIÓN
2. Automatización
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
22
Industrial
Para aumentar el rendimiento, se utilizan técnicas de control realimentados en cada sección. La disponibilidad de sensores inteligentes, de tecnología basada en la computadora y un control y supervisión computarizada, ha podido desarrollar fábricas de este tipo totalmente automatizadas, que funcionan prácticamente sin intervención humana.
VARIEDAD DE PRODUCTOS
PRODUCCiÓN JOB SHOPS
LÍNEA DE PRODUCCIÓN
;--_----..
I PROCESO DE FLUJO CONTINUO
VOLUMEN
DE
_
PRODUCCION
Figura 2.2.
Gráfica que ilustra la Relación entre Variedad de Productos Contra Volumen Manufacturado
La figura 2.2 presenta la relación entre la variedad de productos fabricados contra el volumen producido; como se observa, los talleres job shops son las configuraciones de fábrica en donde la variedad de productos es grande pero con volumen bajo, mien_ tras que la configuración de producción en masa o de flujo continuo es la de mayor volumen de productos manufacturados, pero la variedad es pequeña. Las denominadas celdas de fabricación flexible (FMC: Flexible Manufacturing Ce/~, .se ubL can en las fábricas dispuestas para la producción por lotes y de líneas de producción, es decir, este tipo de fabricación automatizada resulta más adecuada en estos tipos de factorías. En los job shops, a pesar de poseer maquinaria altamente sofjsticada, cabe también, hasta cierto punto, el trabajo artesanal especializado; esto hace que los productos realizados allí, sean de costos muy altos.
2.6.
Disposición de los Procesos en la Planta
Se refiere al tipo de reordenamiento de los dispositivos fíSicos e instalacio_ nes de producción en la planta. Se consideran cuatro tipos de disposición en planta asociada con los sistemas tradicionales de producción: 1. 2. 3. 4.
Disposición Disposición Disposición disposición
de posición fija de proceso de flujo de producto por tecnología de grupo
0'--
AUTO MATIZACIÓN
2. Automatización
INDU
ORlO
1
23
IndustJic
1. Disposición de posi - .• n del producto dentro de la planta. A causa de su In sitio fijo y el equipo necesario para su construcción 'e disposición son la construcción de buques, en la e esta disposición es la construcción de edificios, en
El concepto de posición . -.::. =s-=.::: = tamaño y peso el producto _<:LE se lleva a ese punto. Ej<>T~ industria aeronaval y aerDe5':: donde el producto es muy.;
c- -i: . e -~ -
se debe desplazar al sitio de construcción.
2. Disposición de proces En esta configuración las á~_- 7" ==_ ral de proceso de manufa taladradoras están en otra sa::OC:l,
_
.• n se ordenan en grupos de acuerdo con el tipo gene_ las máquinas e inyección está en otra, etc.
, 105 tornos están en un departamento,
logra alta flexibilidad, puesto que piezas con distintos Es muy común en los talleres de trabajo
¿5a12'n~ departamentos.
- :es.
3. Disposición de fl ujo de prod do Es adecuada para la fabricación de un 5010 producto en cual viaja a través de distintos procesos transformándose en forma secuencial hasta llegar al producto final, así que las instalaciones de procesamiento y montaje se sitúan a lo largo de la línea de flujo del producto. El trabajo en curso se traslada mediante bandas transportadoras de una estación a otra. Esta disposición es inflexible y única mente se modifica cuando las cantidades de un producto nuevo justifican las inversiones necesarias.
4. Disposición por tecnología de producto Esta disposición combina la eficacia de la disposición de flujo con la flexibilidad de la disposición de proceso; trata de identificar y agrupar familias de piezas con determinada similitud en el diseño y fabricación así que la disposición de la fábrica, en cuando a la maquinaria, permite disponerla en células que facilitan el flujo de trabajo; esta disposición también facilita la clasificación y codificación de las piezas.
2.7.
Jerarquía en la Automatizacián Industrial
Desde siempre el ser humano ha intentado hacer su vida más fácil y cómo_ da. Para ello, a lo largo de la historia, ha construido infinidad de aparatos capaces de facilitar las tareas rutinarias, o realizar trabajos que nunca antes había conseguido debido a las limitaciones existentes. Este fenómeno es lo que se puede llamar «evolu_ ción tecnológica» y que en los últimos siglos ha sido espectacular. En la sección 2.3 se presentó una definición de automatización; complementándola, se puede definir la automatización como: el conjunto de técnicas basadas en sistemas capaces de recibir información del medio sobre el que actúan y se realizan acciones de análisis,. organización y control con el fin de optimizar recursos productivos: mecánicos,. materiales y humanos. Hasta el siglo XIX, el avance tecnológico fue resultado de la revolución industrial, en la que los sistemas mecánicos eran piezas claves para la industria y el desarrollo de los
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatización Industrial
24
procesos industriales. Pero es en el siglo xx, cuando los sistemas de automatización surgen con fuerza, la creación de dispositivos electromagnético (por ejemplo el relé, contactar, etc.) en la primera mitad del siglo y de los sistemas electrónicos de estado sólido en la segunda mitad del siglo, hace que los objetivos iniciales de la automatiza_ ción se complementen y extiendan a: la mejora de la producción y calidact disminución de riesgos laborales (seguridad industrial),
disminución de costos.
Otra creación tecnológica que cambió la industria del ensamblaje (inicialmente en la industria automotriz) y las líneas de producción, fue el controlador lógico programable (PLC: Programmable Logic Controller). El concepto de línea de producción automatizada se im_ puso rápidamente. El PLC permitió que los procesos industriales fueran, desde enton_ ces, más precisos, eficientes y, tal vez lo más importante, re-programables, eliminan_ do el gran costo que generaba al reemplazar el sistema de control basado en relés y contactores; con este dispositivo era posible cambiar a un nuevo modelo de automó_ vil en la industria automotriz, sin tener que alterar la estructura de la planta. Esta nueva evolución tecnológica amplía aun más la definición de automatización: Una tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos-eléctricos doras para la operación y control de la producción.
basados en computa_
La utilización de los dispositivos de estado sólido, los PLCs y las computadoras en el ambiente de la manufactura va de la mano con otro de los desarrollos modernos: las redes de comunicación. La intercomunicación
de sistemas y procesos industriales no es un concepto nuevo, pues sistemas como IEEE-488 y RS484/422 fueron utilizados por más de 20 años en instalaciones de baja y mediana complejidad. Estos tipos de enlaces de comunicación se han empleado en equipos de instrumentación y sistemas de automatización, en donde la tasa de transferencia de datos entre equipos es baja. Actualmente, dada la cantidad de instrumentos, equipos y complejidad en los proce_ sos, las redes de comunicaciones también han evolucionado, por ello, redes como Ethemet se han hecho fundamentales en estos entornas de alta tecnología e integra_ ción global.
2.7. L
Sistemas Integrados de Producción: El Concepto CIM
El afán de lograr niveles de calidad altos, rapidez en el desarrollo e intro_ ducción de nuevos productos, flexibilidad y adaptabilidad, hace que los fabricantes y productores deban plantearse sus estrategias comerciales y de negocio desde un punto de vista integral, desde que las materias primas entran en la fábrica hasta el acabado final, donde el producto está listo para ser distribuido. Con todos estos requerimientos es necesario que durante todo el proceso de fabrica_ ción, se suministre la información útil al personal de planta responsable de la produc_ ción y al departamento comercial, encargado de la venta y envío del producto, para poder adaptar la producción de forma rápida y eficaz dependiendo de las necesidades
•.•..
AUTO MATIZACIÓN
2. Automatizacián
TORIO
INDU
del mercado. De e donde la producción ES _ sin perder de vista la tal como las normas .:Todos estos factores que significa: manufa basados en computa sofía de automatizaci' I : 2::: ~ concepto CIM se puede e--'«Una metodología
25
Indu
-
=~
de traba-
y gestión, orientados a la m~
~ e tener un proceso de fabricación dinámico y - globales y no necesariamente técnicos. Todo ello Iidad y seguridad que se aplican actualmente
~
J -
- - to OM (CIM: Computer Integrated Manufacturing), r computador o sistemas integrados de producción a .ecnología ni un procedimiento, sino una filo_ -'n de varias técnicas con una visión integradora. El
e diseño de los sistemas de automatización, producción eles de calidad y optimización en los procesos de fabrica_
ción».
Esta concepción de los siste as e fabricación abarca diferentes áreas y no debe ser considerada exclusiva del á ea e la ingeniería, a pesar que ella juega un papel importante. La Sociedad A ericana de Ingenieros de Procesos Manufactureros SME (SME: Society of Manufacturíng Engineers) propuso una aproximación bastante completa de lo que sería una producción integrada y los principales factores que en ella intervL enen. Su explicación se ilustra en el diagrama de los Sistemas Integrados de Producción O «rueda C/M» que se ilustra en la figura 2.3.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatización Industrial
26
Se aprecia en el diagrama que el aspecto de la producción propiamente dicha, es decir, la fabricación del producto, es una parte de todo el sistema de gestión, planifL cacióny abastecimiento que lleva consigo cualquier proceso de fabricación. El núcleo central enlaza los diferentes aspectos de un proceso industrial mediante las redes de comunicaciones que permiten la interrelación entre ellos. Alrededor del núcleo se encuadran todas las tareas que permiten la fabricación o manufactura del producto, desde el diseño inicial, como el diseño de los procesos de fabricación nece_ sarios, pasando por la gestión de materias primas y producto final, almacenaje, recepción y salida de material, control de calidad, etc. La zona periférica del diagrama de la figura 2..3 comprende los aspectos de gestión empresarial y de negocio relacionados con la producción. En cualquier proceso productivo, existe una dependencia de las necesidades del mercado. Así que el mercado es el encargado de modificar las condiciones de fabrica_ ción; quien toma las decisiones de efectuar las modificaciones es la dirección, pero siempre respaldado por las áreas de diseño y producción ya que son estas entidades quienes conocen hasta qué punto es posible adecuar las instalaciones a los posibles nuevos productos, las inversiones a realizar, tiempos de diseño, etc.
1
fÁBRICA
I
I-D-IRE-U-J6N-1
!
1" [Dd~oJ-1
11
MERCADO PR;DUCClÓ'
Figura 2.4.
Relación entre Fábrica
y Mercado
La gráfica de la figura 2..4 presenta la relación que existe entre el mercado y la fábrica. El diagrama de la figura 2..5, muestra, de una manera más completa, las diversas áreas que constituyen una empresa manufacturera. Se pueden establecer tres áreas bien definidas: área administrativa y de mercadeo, área de ingeniería y área de control de calidad. Entre estas áreas, existe un sistema de información, que realmente es una gran red de comunicaciones que enlaza las distintas áreas. Detallando el área de ingeniería del diagrama de la figura 2..5, se ve: ./ En primer lugar (parte superior) el área de diseño del producto, desarrollado mediante los sistemas de diseño asistido por computador (CAD: Computer Aided Desígn), que definen las herramientas y maquinaria a emplear en el proceso de producción . ./ La siguiente etapa consiste en la planificación de procesos dentro del proceso productivo mediante sistemas de planeación de procesos asistidos por computadora (CAPP: Computer Aided Process Planning), consistente en herramientas software usadas durante el desarrollo del producto para ayudar al diseñador a evaluar los niveles de complejidad que tendrá el producto cuando va a ser manufacturado.
AUTO MATIZACIÓN
2.
27
INDUSTRIAL:
. matización Industrial
PRODUCTO CAO
Herramienta
Máquina
CAPP
PPS Planitiwión
eo
IT ."-::_
,I,I..MACE.
=
=
MRP
CAt1
:
SfC
CAPC TI~S QC
L06íSTIé.-'
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...;~ [;E
CONTROLADORES
I~~:TJ., -'6
Et~ PLANTA (HC
Figura 2.5. Áreas Básicas
PLC ROBOT AGV
dentro de una Factoría
Esta herramienta informática incluye información como: tipos de herramienta y máquinas necesarias para la fabricación del producto, secuencia de operaciones de manufactura que serán desarrolladas, velocidades, tiempo requerido por secuencia. Sin esta herramienta, no será posible conocer la complejidad del producto antes de su fabricación, sino después, una vez manufacturado . ./ El siguiente paso consiste en la planificación de los sistemas de producción (PPS: Planning Production System), donde se realiza un estudio concreto de los sistemas de producción con el objeti_ vo de la optimización de las tareas y procesos a realizar, mediante la planificación de los recursos humanos y maquinaria, compra de materias primas y programación de trabajo (tiempo de utilización efectivo de la maquinaria, ordenación en la ejecución de tareas, etc). Como soporte a esta tarea, se pueden distinguir dos aspectos: El primero es la Planificación Adicional (Agregate P/anning), que analiza aquellos factores que pueden afectar la producción a mediano plazo y que no están directa_ mente relacionados con el proceso productivo, para de este modo, hacer frente a las posibles deman_ das y evitar sobrecarga o tiempos muertos en ciertas partes de la cadena de producción, tomando decisiones acerca de las compras a hacer, distribución de las horas de trabajo, etc. En segundo lugar se tiene el factor denominado Planificación de los Requerimientos de material (MRP: Material Requirement Planning), muy enlazado con el concepto de planificación adicional, para dispo_ ner de las materias primas necesarias de un modo eficiente y realizar una gestión de almacén sin necesidad de grandes niveles de inventario, fijar fechas de entrega de materias primas y herramientas. Esta actividad, que a veces es considerada como un método de control de inventarias, implica mante_ ner registros completos de inventarias de materiales, suministros, piezas en diversas etapas de producción (trabajo en proceso), pedidos, compras y calendarización (Schedu/ing) . ./ El siguiente nivel en el área de ingeniería es el diseño de procesos de fabricación y mecanizado asistido por computador (CAM: Computer Aided Manufacturing), donde se implantan equipos y siste_ mas de gestión y desarrollo de la producción en contacto directo con la fabricación de planta. La manufactura asistida por computadora, implica el uso de computadoras y tecnología de software para ayudar en todas las fases de la manufactura de un producto, incluyendo la planeación del proceso y la producción, maquinado, calendarización, administración y control de calidad.
AUTOMATIZACIÓN
2. Automatización
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO Industrial
28
Generalmente se integran los sistemas CAD/CAM; esta combinación permite la transferencia de información desde la etapa de diseño (CAD) a la etapa de planeación (CAM), para la manufactura de un producto, sin necesidad de volver a capturar en forma manual los datos sobre la geometría de la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el CAD es almacenada; posteriormente, esta es procesada por el CAM, para obtener los datos y las instrucciones necesarias para operar y controlar la maquinaria de producción, equipo de manejo de materiales y las pruebas e inspecciones automatiza_ das que establecen la calidad del producto. En este nivel, como se observa en la figura 2.5, se introducen elementos como los Sistemas de Control de Planta (SFC: Shop Floor Contra!), utilizando los datos de estos para mantener y comunicar la situación de los pedidos en planta y en los puestos de trabajo en tiempo real. Están los llamados Círculos de Calidad (QC: Quality Cirde), o grupo de trabajo, que actúa como una unidad para mejorar la calidad y reducir los costos en cualquier proceso. Está la Gestión de la producción asistida por computadora (CAPC: Computer Aided Production Contra!), que ejerce una supervisión de los procesos productivos para analizar sus necesidades y ser capaces de reaccionar antes que disminuya el ritmo de producción o sus niveles de calidad. Se encuentran los Sistemas de Gestión Logística (TMS: Transportation Management System), que informan al control de la planta acerca de la situación de las mercancías preparadas para comercia_ lizar, así como gestionar su almacenaje y envío a través de la preparación de los lotes. Todos los sistemas anotados están en continua e ininterrumpida comunicación entre sí y con las otras áreas de la fábrica y están basados en ambientes de software, ayudados por sistemas de identificación y marcaje como: etiquetado con código de barras, bandas magnéticas, sistemas de identificación (EPC: Electronic Product Code) vía Radio Frecuencia (RFID: Radio Frequency IDentified) . ./ Finalmente se llega a la planta de producción, en donde se encuentran todos los equipos y máquinas encargados de producir, mecanizar y conformar el producto, en donde la materia prima o básica se transforma realmente en un producto final. En la planta de producción se distinguen tres tipos de elementos básicos como son: los elementos de proceso, elementos de transporte y los de almacenaje. Algunos elementos de proceso son los controladores lógicos programables (PLCs: Programmable Logic Controllers), sistemas de control numérico (CNC: Computer Numeric Contra!), robots encargados de realizar el mecanizado y ensamble del producto ayudados por motores, sensores, actuadores, y los operarios que conforman el personal de planta. Otros elementos de proceso a tener en cuenta son los sistemas automáticos que se han constituido en elementos fundamentales dentro de la producción.
de inspección de calidad
Los elementos de transporte permiten el abastecimiento de materias primas y facilitan la tarea de trasladar el producto terminado al lugar de almacenamiento. En las plantas automatizadas el transpor_ te se hace con los Vehículos de Conducción Automática (AGV: Automatic Guided Vehide) y el transpor_ te de pallets mediante carretillas. Respecto a los sistemas de almacenaje, los Sistemas de Almacenamiento y Recuperación Automáticos (AS/RS: Automated Storage and Retrieval System) permiten emplazar grandes cantidades de mercancía de manera automática y ordenada con tiempos de acceso reducidos, si se compara con los sistemas tradicionales. Ejemplos de industrias con este tipo de implantaciones integrales son las cadenas de montaje de automóviles, industrias petroquímicas, montajes de sistemas electrónicos, etc.
Todo el entramado de procesos, la coordinación entre las distintas áreas de la facto_ ría, el conocimiento de las actividades en cada área e f a inmediata y en tiempo
RATORIO
real sería posible sin la existe cia de los sistemas físicos di i Y almacenar toda la inme sa información generada. Es necesa "a la infraestructura de comu icaciones capaz de realizar siste as industriales. Entonces se requiere de una extensa red de alta velocidad e interactiva.
29
capaces de captar, por ello que se hace la integración de los de comunicaciones,
Un gra
avance en la tecnología de las comunicaciones es la Red de Área Loca CLAN: Una red LAN enlaza grupos relacionados de equipos y máquinas y lleva las distintas fases de la manufactura hacia una operación unificada. Una red de área local puede ser muy grande y compleja, enlazando cientos o hasta miles de máquinas y dispositivos en varios edificios. Se usan diversas distribuciones de red de cables de fibra óptica o de cobre a distancias de algunos metros hasta 32Kms. Para mayores distancias se usan las Redes de Área Ancha CWAN: Wide Area Network). Local Area Network).
2.7.2. Sistemas de Control Industrial Tradicionalmente se distinguen tres tipos de sistemas de control industrial: sistema de control centralizado, sistema de control multicapa y sistema de control distribuido. La elección de uno u otro sistema dependerá de diversos factores como: tamaño de la planta, complejidad de las tareas a realizar, posibilidad de subdividir los procesos de fabricación y de la evolución tecnológica de los procesos. Control Centralizado: Es un sistema aplicado a fábricas poco complejas donde un proceso puede ser gestionado directamente mediante un único elemento de control, por ejemplo una computadora, encargada de realizar todas las tareas del proceso de producción y que puede incluir un sistema de monitorización y supervisión. Para necesidades de producción más complejas, se requieren sistemas· de control más complejos, potentes y en mayor número, pero se mantiene en un único elemen_ to de control central todo el proceso, es decir, una única computadora soporta el control sobre toda la planta; esto implica, hacer llegar las señales de todos los senso_ res, cablear todos los actuadores desde el sitio en donde se ubiquen hasta la computadora central. Como ventaja del control centralizado es que no es necesario planificar la intercomu_ nicación entre procesos ya que todas las señales están gestionadas por el control central y para sistemas poco complejos, los costos no son altos. Pero tiene un grave problema: si el sistema de control central (la computadora central) falla, toda la instalación queda paralizada; una solución es adicionar un control de respaldo (back-up, respaldo) de manera que temporalmente el sistema tome el control de la planta. Otro problema resulta por las distancias que hay entre la planta (en donde están los sensores y actuado res) y el control central, puesto que implica grandes distancias de cableado y, necesariamente, retardos.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatizacián Industrial
30
Históricamente, muchas plantas manufactureras tenían la disposición de control centralizado, puesto que no se tenían estándares de calidad tan altos como los hay actualmente, ya que la mayor parte de la producción se realizaba con mano de obra humana y, por tanto, muchos de los procesos no estaban automatizados.
CONTROL
CENTRALIZADO
t t t t
. PRIMA MATERIA
--7
1
000 0 A
-7
Figura 2.6.
B
-7 e -7
D
--7
TERMINADO PRODUCTO
(A)
Esquema del Control Centralizado
La figura 2.6 ilustra un diagrama simplificado de un control centralizado. La materia prima ingresa por la izquierda, recorre cuatro estaciones de trabajo, obteniendo a la derecha, el producto final. Cada estación es supervisada y controlada por la unidad de control 'centralizado. Si falla el control central, se detiene todo el proceso. Control Multicapa: Aprovecha las ventajas del control centralizado, así que conforma una variedad de control jerarquizado en dos niveles. El nivel más bajo se constituye mediante controladores locales para el control de lazos específicos o subprocesos del sistema. Estos se ocupan de atender a las tareas de control con restricciones tempo_ rales de carácter crítico. El nivel superior está constituido por una computadora cen_ tral que supervisa y establece órdenes de consigna a los controladores locales. Ade_ más atiende a las tareas de optimización de largo alcance, de procesamiento de información global y monitorización del sistema. En caso que el computador central falle, el control de las variables del proceso queda garantizado.
CONTROL
DE SUPERVISiÓN
(B)
Figura 2.7.
Diagrama Simplificado de un Control Multicapa
La figura 2.7 ilustra el diagrama del principio básico de un control multicapa. Cada una de las estaciones (A, B, C, D) tiene un dispositivo de control individual y estos disposi_ tivos de control son supervisados y controlados por un control central. En este caso, si el control central falla, cada una de las estaciones sig e operando, aunque se pier_ de el control sobre lodo el sistema global.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 2. Automatización Industrial
31
Control Distribuido: El tercer sistema de control es el control distribuido en donde se consideran procesos, grupos de procesos o áreas funcionales, que pueden ser definL dos bajo algoritmos de control operables en forma autónoma. A cada grupo de proce_ sos se asigna una unidad de control y mediante redes de comunicaciones, se enlaza_ rán para efectuar una coordinación de todos los procesos. Con esta metodología de control es posible que cada unidad de control realice proce_ sos sencillos, comparados con el proceso global, reduciendo las probabilidades de error durante la programación y permitiendo el empleo de unidades de control más simples y, por tanto, más económicas. Al mismo tiempo, la existencia de fallas en otras unidades no implica la paralización de todos los procesos que se lleven a cabo en la planta como sucede con el control centralizado. La figura 2.8 representa un diagrama simplificado del control distribuido. Como se observa, se forman cuatro células, cada una de las cuales agrupa la estructura de pequeñas zonas de fabricación, así que la materia prima puede entrar a cualquiera de las cuatro células en donde es procesada y obtenido el producto final. Cada célula ."ene su unidad de control individual y estos controles son supervisados por un siste_ a central. Si el supervisor central falla, no se detiene la fabricación, porque cada celda tiene la autonomía de procesar la materia prima y entregar un producto. Para este control la comunicación entre células y entre unidades de control individuales y el supervisor es importante, para racionalizar el uso de las células y evitar embotella_ mientas (cuellos de botella) y evitar tiempos ociosos en máquinas y operarios. Lógica_ mente que este tipo de estructura es mucho más compleja, pero es justificada cuan_ do el proceso de fabricación es muy complejo y grande.
CONTROL
DE SUPERVISiÓN
MATERIA PRIMA
Figura 2.8.
2.7.3.
Diagrama del Control Distribuido
Pirámide de la Automatización
Una vista global de la planta de manufacturada automatizada se presentó en las figuras 2.3 y 2.5, en donde se mostraban las diferentes áreas que conforman la empresa. Otra forma de mostrar la disposición de una fábrica automatizada es mediante una pirámide que se denomina pirámide de la automatización.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatización Industrial
32
La figura 2.9 ilustra una pirámide con cinco niveles y que representa la disposición de la planta automatizada. Cada uno de los niveles representa un área de la planta. El nivel inferior (nivel 1) es el nivel de producción, mientras que el nivel superior (nivel 5) es el de gestión administrativa.
Factáiy lewl
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1
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Figura 2.9.
•••••
".............
De:\'ic.eNe-.t
~ C.-\N')pelJi Iute,B",-S l!'tc.
Pirámide de la Automatízación
La descripción de cada uno de los niveles es la siguiente: Nivel 1: Es el nivel de campo, también llamado nivel de instrumentación. Allí se ubican dispositivos como elementos de medida (sensores) transductores y transmisores y los dispositivos de mando (actuadores). Son los elementos más directamente relacionados con el proceso productivo, ya que los actuadores son los encargados de ejecutar las órdenes de los elementos de control. Los sensores miden las variables del proceso; ejemplos de algunas variables comunes a sensar: nivel de líquidos, caudal, temperatura, presión, posición, etc. Ejemplos de actuadores: motores, válvulas, calentadores, taladros, cortadoras, pequeños PLCs~ Nivel 2: Es el nivel de proceso. En este nivel se sitúan los elementos que ordenan las acciones a los actuadores y reciben la información de los distintos sensores, transductores y transmisores, así que los dispositivos de este nivel permiten que los sensores y actuadores funcionen de forma conjunta para que sean capaces de realizar el proceso industrial. Son dispositivos programables, de tal modo que es posible ajustar y personalizar su funcionamiento según las necesidades de cada caso. Para una factoría pequeña, con los dos primeros niveles es suficiente para realizar un proceso produc_ tivo completo. Ejemplos de equipos que se ubican en el nivel 2: los PLCs, PC industrial, robots, CNC. Nivel 3: Es el nivel de célula. Están los dispositivos que coordinan, supervisan y controlan las operacio_ nes de los dos niveles inferiores; es el control y supervisión que enlaza las unidades de control de cada célula o estación de trabajo y que se mostró en la figura 2.8 del control distribuido. Allí se pueden tener PLC maestros, PC industriales, sistemas de control distribuido (DCS: Distributed ControISystem).
Algunas actividades en el nivel 3 son: ~Adquisición y tratamiento ~ Monitorización. ~ ~ ~ ~
de datos_
Gestión de alarmas y asistencias. Mantenimiento correctivo y preventivo. Control de calidad. Sincronización de células.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
2. Automatización Industrial -t -t -t -t
33
Coordinación de transporte. Aprovisionamiento de líneas. Seguimiento de lotes. Seguimiento de órdenes de trabajo.
Este nivel emite órdenes de ejecución al nivel 2 y recibe situaciones de estado de dicho nivel; iguaL mente recibe los programas de producción, calidad, mantenimiento, del nivel 4 y realimenta los esta_ dos de las órdenes de trabajo, situación de las máquinas, estado de la obra a) nivel 4. ivel 4: Nivel de planeación y control de la producción. Todos los dispositivos de control existentes en la planta es posible monitorizarlos al existir una red de comunicaciones, que enlaza estos controles con otros dispositivos dedicados a la gestión y supervisión y que, generalmente, están constituidos por computadores o sistemas de visualización tales como pantallas industriales e interfases humanomáquina (HMI: Human-Machine Intelface). En este nivel es posible visualizar cómo se están llevando a cabo los procesos en la planta y a través de entornos de Supervisión Control y Adquisición de Datos (SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition), poseer una «imagen virtual» de la planta, de modo que ésta se puede recorrer de manera detallada, o mediante pantallas de resumen, disponer de un «panel virtual» donde se muestren las posibles alarmas, fallas o alteraciones en cualquiera de los procesos que se lleven a cabo. Mediante estos medios de visualización virtual, es posible tener acceso inmediato a cada uno de los sectores de la planta. En algunas ocasiones, también es posible modificar los procesos productivos desde los computadores de supervisión. Pero para poder llevar a cabo esta supervisión, es imprescindible disponer de redes de comunicaciones con buses de campo de altas prestaciones, pues en grandes factorías, la cantidad de datos transmiti_ dos y la conexión con elementos de control son gigantescas. La figura 2.9 incluye los buses de comunicaciones que enlazan los distintos niveles de automatización. Este nivel posee los sistemas DeS. gunas tareas realizadas en el nivel 4 son: -t Gestión de materiales. -t Gestión de compras. -tAnálisis de costos de fabricación. -t Control de inventarios. -t Gestión de recursos de fabricación. -t Gestión de calidad. -t Gestión de mantenimiento. -t Programaciónde la producción. El nivel 4 emite los programas hacia el nivel 3 y recibe de este las incidencias de la planta. Del nivel 5 recibe información consolidada sobre: -t Pedidosen firme. -t Previsionesde venta. -t Información de ingeniería de producto y proceso.
y envía información relativa a: -t Cumplimiento de programas. -tCostos de fabricación. -tCostos de operación. -tCambios de ingeniería. Nivel 5: Nivel de fábrica o de gestión. Este nivel, igual que el nivel 4, está constituido por computa_ doras, ya que se encuentra más alejado de los procesos productivos. En este nivel no es relevante el estado y supervisión de los procesos de la planta; en cambio, sí toma importancia toda la información relativa a la producción y su gestión asociada. Toda esta información la adquiere del nivel de supervL sión, es decir, del nivel 4, puesto que de allí puede obtener la información completa, actual y en tiempo real, de todos los niveles inferiores de una o varias plantas.
AUTOMATIZACIÓN
2. Automatización
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO Industrial
34
Información relativa a: materias primas consumidas, la producción realizada, los tiempos de produc_ ción, niveles de almacenado o inventarias de productos finales, etc., son importantes en este nivel. Con esta información, los directivos de la empresa pueden extraer estadísticas referentes a: costos de fabricación, rendimiento de la planta, estrategias de ventas para liberar inventarios o excesos de producto almacenado y, en general, disponer de la información que permitan a los directivos la toma de decisiones que lleven a la optimización en el funcionamiento de la planta, todo ello de una manera rápida y flexible, gracias a la rapidez del acceso a los datos de fabricación lograda en el nivel 4. En este nivel también se toman decisiones en cuanto a la generación de nuevos productos, alteración de otros productos, cambios en la planta, introducción de nueva tecnología y, en general, todas las políticas que conllevan el incremento de las ganancias de los dueños de la empresa. Así que en este nivel se incluye la metodología CAD/CAM. y todas las herramientas informáticas de producción. Algunas tareas realizadas en el nivel 5 son: • Gestión comercial y de marketing. • Planificación estratégica. • Planificación financiera y administrativa. • Gestión de recursos humanos. • • • •
Ingeniería de producto. Ingeniería de proceso. Gestión de tecnología. Gestión de sistemas de información.
• Investigación
y desarrollo.
Este nivel emite al nivel 4 informaciones sobre la situación comercial (pedidos y previsiones), información de ingeniería de producto y de proceso, etc., y recibe información del nivel 4 para ajustar la planificación global, cumplimientos, costos, etc.
El modelo descrito de estructura piramidal jerarquizada para la automatización indus_ trial fue propuesto por la Oficina Nacional de estándares (NBS: National Bureau of Stan_ dards) y es el que está vigente en muchas industrias modernas. Este enfoque integrador de la producción precisa la integración de las islas (o células) de automatización y, por tanto, el desarrollo de las comunicaciones, al crearse una enorme demanda de información en todas las unidades funcionales de la empresa. En los niveles más bajos de la pirámide CIM se establece una serie de restricciones características del entorno industrial. Por una parte los tiempos de respuesta de los dispositivos de control han de ser cortos y de carácter determinista. Por otra parte las perturbaciones clásicas del entorno industrial han de poder ser soportadas sin que ello afecte a la fiabilidad y disponibilidad de las instalaciones. Estas características se contemplan en las Redes de Área Local de carácter industrial.
2.8.
Celdas de Manufactura Flexible
Un sistema de manufactura flexible (FMS: Flexible Manufacturing System) es un conjunto de máquinas que son controladas por computadoras, incluyendo dentro de este sistema, los procesos de transporte, carga y descarga y almacenaje del material. Todos estos equipos están supervisados y también controlados por una computadora
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatización Industrial
35
central. El término flexible se refiere a que mediante un FMS se pueden fabricar variados productos en forma simultánea, si así lo requiere el mercado. Estos sistemas de fabricación surgieron en la década del 80 como consecuencia de varios factores entre los cuales cabe resaltar: alta demanda de productos muy varia_ dos, mayor calidad de los mismos, globalización de los mercados, aumentando los índices de competitividad y los ciclos de vida más corto de los productos. La flexibilidad de una FMS implica el compromiso entre la variedad de los productos fabricados, el volumen de producción y, obviamente, los costos. Por ejemplo, un sistema de fabricación FMS puede ser adecuado para un job shop, si el volumen de productos demandados es relativamente alto. No es adecuado para una producción por lotes, con variedad pequeña de productos. Puede ser adecuada para una planta de -ensamble en donde simultáneamente hay producción de diversas partes. Será absurda una FMS en una planta de producción dedicada o de flujo continuo. En general, se puede evaluar cuándo resulta adecuada una FMS, si la planta de producción satisface las siguientes características: •
Produce piezas o productos variados pero no hay producción por lotes.
• Se puede cambiar la programación de producción rápidamente, para producir cantidades diferentes de productos. • Se puede continuar con la producción programada, de máquinas.
en cualquier parte del proceso y
a pesar de fallas en alguna máquina, o grupo
• Se puede programar la producción de un nuevo producto fácilmente, ñsica y con la maquinaria actual.
sin cambio en la estructura
Como ejemplo de una pequeña celda de manufactura, la figura 2.10 ilustra un diagrama con los elementos en campo necesarios para conformarla: dos máquinas CNC, un robot y bandas transportadoras. Si se analizan los cuatro puntos anotados de las características de una FMS, se puede afirmar que esa estructura los satisface.
Figura 2.10.
Pequeña celda de manufactura
FMS
a establecido diferentes clasificaciones de estos sistemas, así se tiene:
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LA'BORATORlO 2. Automatización Industrial
36
Dependiendo de la dedicación de la celda, pueden ser: •
Celda dedicada a la fabricación.
•
Celda dedicada al ensamble.
Dependiendo del número de máquinas que posee: • Celda de una máquina. La conforma un centro de mecanizado CNC, con los sistemas de almacenamiento y transporte. Esta celda no cumple con una de las características anotadas, puesto que si la máquina falla, la producción se detiene. • Celda de manufactura flexible (FMC: Flexible Manufacturing siste_ mas de almacenamiento, transporte y carga-descarga.
Cel/). Posee dos o tres máquinas CNC y los
• La FMS como tal, conformada por cuatro o más estaciones de procesamiento, sistema de movimiento de material, almacenamiento y carga-descarga. Generalmente las FMS, a diferencia de las FMC, poseen sistemas de monitorización y diagnóstico, es decir, sistemas de supervisión SCADA.
Dependiendo de la flexibilidad: • FMS dedicadas a producción especial, es decir produce número pequeño de variedad de productos. Aunque puede interpretarse como producción por lotes, sin embargo no es así, ya que puede producir simultáneamente diferentes productos. • FMS de producción multivariada, como es el caso de los Job Shops. Requieren maquinaria muy especializada y variada que es supervisada por redes de computadoras, que se encargan de controlar y programar la producción.
..~. ,
Una celda FMC como la de la figura 2.10 constituye una estación de trabajo (Workstation) que consiste de varias piezas de equipo, incluyendo zonas en donde se almacenan temporalmente las piezas que van a ser o son maquinadas (Buffers). La figura 2.11 representa esta estación de trabajo en la que se han adicionado las computadoras y controladores comunicados serialmente. Una red TCP/IP enlaza estas computadoras a una computadora central en donde se realizan todas las operaciones de control, supervisión, gestión en la programación de producción (Schedu/ing), gestión de alar_ mas y programación de mantenimientos, entre otras muchas tareas.
Red
1- - -
- - -
TCP{IP- - -
- - -
-
Banda I 1,RS-232' ¡: Controlador - - - - - -'. iRsP:01 O,~ransportador~ .iD'
transportadora Controlador banda, .'"'"
"""1
I
~-"'~
:
=,""
C~ , ~~ ~ d~h~---"
Controlado~ estación de trabajo (Workstatidn)
I ----"'
O'T Brazo
1
I .--
1
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Brazo robot
L-~---I
robo\l'~.-, _~~
1
-r~" ; --5=' ~ (Y/ -·e'
_ i(S-232
Figura 2.11.
ComponentES
:=
L':i2
"'::.2' ='.
.......•.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA
Y LABORATORIO
2. Automatización Industrial
37
El computador controlador de la estación de trabajo puede estar ubicado en una sala de controlo en puntos remotos de la planta. Los elementos básicos que tiene una FMS son los siguientes: • Estaciones de trabajo. Estas dependen de la función en la planta. Para operaciones de maquinado en los talleres metal-mecánicos, las máquinas más comunes son los CNC. En fábricas en donde se procesan materias primas, se encuentran máquinas como tolvas, mezcladoras, molinos. En plantas de ensamble las máquinas más comunes son los robots. • Sistemas de carga y descarga. Son los enlaces entre la estación de trabajo y el resto de la planta. La materia prima en bruto entra (carga) para ser tratada o transformada por las estaciones de trabajo y luego del tratamiento, el producto sale (descarga) hacia las otras secciones del proceso en la fábrica. Este proceso de carga y descarga puede ser automático o manual. Si es manual y la materia prima o producto tratado es pesada, se utilizan medios mecánicos de traslado como grúas, malacates, u otro medio que facilite el movimiento por parte del operario. • Estaciones de procesamiento o de tratamiento previo a la entrada a las estaciones de trabajo. Por ejemplo se tienen los hornos, cortadoras, forjas, zonas de balanzas para pesaje de materias primas, zonas de limpieza como baños de ácido o paso a través de compresores, u otros medios con los que la materia prima se debe tratar antes de ser llevada a la estación de trabajo. • Estaciones de Inspección y control de calidad. Pueden estar cerca a las estaciones de trabajo, en las estaciones de procesamiento o al final antes de producirse la descarga de los productos luego del tratamiento. Actualmente se dispone de sistemas sofisticados basados en la visión artificial, siste_ mas de ultrasonido o de ultravioleta. • Sistemas de transporte y almacenamiento. Son los encargados de llevar la materia prima o productos tratados a las diferentes zonas de la planta. Los más comunes son las bandas transporta_ doras (sistemas de cinta), los sistemas automáticos de transporte o AGV (Automatic Guide Vehic/e), líneas de arrastre de vehículos (trenes), los robots y, obviamente, los medios de transporte operados manualmente. En cuanto al almacenamiento, se tiene los sistemas de pallets. • Sistemas de computadoras. Estos sistemas enlazan las diferentes estaciones en forma distribuida. Poseen un computador central y computadoras que actúan como controladoras para las distintas máquinas de la FMS. Son variadas y múltiples las acciones que realiza el conjunto de compu_ tadoras. Algunas de esas funciones son: control de las distintas estaciones de trabajo, programación de las actividades de las estaciones, calendarización y control de la producción, gestión y control con los sistemas de transporte y almacenaje, control de herramientas para las máquinas CNC, control de vida de las herramientas, gestión de diagnósticos de fallas y programación de mantenimientos preventivos, asignación de tareas a las máquinas cuando alguna falla, gestión de alarmas. El enlace entre las computadoras controladoras y la computadora central se realiza mediante alguna red industrial, dependiendo de las distancias entre ellas y los distintos sistemas de fabricación involu_ crados. • ec rsos humanos. Aunque se refiere a un sistema automatizado, sin embargo, es imposible la auserdc del componente humano. Algunas funciones asignadas a los humanos son: cargar materias roouctos terminados en el sistema, cambio de herramientas, mantenimiento y reparación de " a "a, programar las estaciones de trabajo y los distintos controladores y la gestión global del
38
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatizaeión Industrial
2.9.
Sistemas de Eventos Discretos
Un sistema es un conjunto de elementos que relacionados cumplen con un objetivo específico. El comportamiento futuro del sistema dependerá del comporta_ miento pasado y presente. Desde el punto de vista teórico, se considera el sistema como una caja negra con varias entradas y una o más salidas. Se asume que la salida es una respuesta casual, es decir, la salida depende de las entradas en el momento pasado y presente. A las entradas y salida se les asocian variables de entrada y de salida respectivamente. Los sistemas se clasifican en diferentes formas: estático o dinámico, lineal o no-lineal, variable en el tiempo o constante, estable o inestable, determinista o estocástico, continuo o discreto. Los sistema dinámicos se definen por su comportamiento miento es llamado proceso.
,
:.
en el tiempo; este comporta_
Por otro lado, un sistema continuo está especificado por un conjunto de variables continuas, un conjunto de funciones continuas relacionadas y derivadas de esas variables; estos sistemas se les llama sistemas dinámicos de variables continuas. A su vez, un sistema discreto se especifica por un conjunto de variables discretas y relacio_ nes definidas de ellas. Un sistema híbrido es la combinación del sistema continuo y discreto. La figura 2.12 muestra los gráficos que representan un sistema continuo y un sistema discreto. Se debe distinguir el sistema discreto en su esencia, de la discretización digital de un sistema continuo. La representación discreta de un sistema continuo se obtiene por el muestreo de las variables continuas en puntos de tiempo discreto. Refiriendo al sistema discreto, este puede ser orientado por tiempo (Time-Driven) U orientado por eventos (Event-Driven), así que se tienen los Sistemas Dinámicos de Eventos Discretos (DEDS: Discrete Event Dynamics Systems). La figura 2.12(C) ilustra el gráfico de un DEDS.
Estados
x(t)
'1~
.......................•
..•...•.. ,.
!
1:.,· •
I
T-:~+¡--T t
el el (A)
Figura
2.12.
(e)
(8) Representación
del sistema:
(n)
--:rL,
Eventos
(B) discreto, (C) DEDS
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatizacián Industrial
39
En la gráfica (C) la variable discreta q describe el estado del sistema; hay cuatro estadoS: ql, q2, q3 Y q4 Ó en forma corta ql-4 y tres eventos el, e2 Y e3 Ó el-3' Como se observa, los eventos ocurren en puntos de tiempo discreto y los estados cambian dependiendo de los eventos únicamente y por eso se les llama DEDS o simplemente Sistemas de eventos discretos (DES: Discrete Event Systems). Los eventos, como se observa en la figura 2.12(C), suceden asincrónicamente, contrario a los sistemas discretos, cuya ocurrencia en el tiempo es sincrónica, como se aprecia en la figura 2.12(8). Algunos ejemplos de sistemas en donde los DES se utilizan son: •
Sistemas de colas
• •
Sistemas de comunicaciones y telefonía Procesos de manufactura
• •
Procesos de fabricación por lotes (Batch) Sistemas de tráfico
•
Sistemas de bases de datos y redes de computadoras
En cuanto a los formalismos matemáticos y de simulación con los que se estudian y representan los sistemas DES, se tienen: • • •
Las máquinas de estado finito (FSM: Finite State Machine) Cartas de estado (Statecharts) y Grafos de estado. Redes de Petri (RdP) y GRAFCET.
El tema de este libro y todos los ejemplos desarrollados y problemas propuestos son Sistemas de Eventos Discretos DES, los formalismos estudiados son las Redes de Petri, GRAFCET, y las Cartas de Estado, y las aplicaciones, en general, son los procesos de manufactura y de fabricación por lotes. Un término importante en los DES es el evento. Para definirlo, considerar la siguiente situación. A una bodega llegan productos recién fabricados, en donde son almacena_ dos; estos productos son recogidos por los camiones para ser llevados a los puntos de consumo. La situación se ilustra en la figura 2.13 y corresponde a un sistema de naturaleza DES.
Llegada de Productos Procesados
iet)
,..
Figura 2.13.
Salida de productos al consumo
--~,..-
o(t)
Ejemplo que ilustra un proceso DES
uevo producto se completa en la fábrica, se lleva a la bodega en donde a. Allí permanece hasta que un medio de transporte 10 recoge y lo retira.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEO 2. Automatizacián Industrial
LABORATORIO
40
La llegada del producto, en la ra, se define con la función i(t) y la salida de la bodega se define como o(t). De . o de la bodega se tiene un número de productos en un determinado momento x(t). Como los productos son entidades discretas, el espacio de estado X es el conjunto de enteros no negativos {O, 1, 2, ...}, entonces se puede definir: = 1 si llega un producto en el instante t = ° No llega producto
i(t) i(t)
= 1 si producto es recogido en el momento t = ° no se recoge producto
o(t) o(t)
En el ejemplo, ocurren dos eventoS: producto entra a la bodega e y producto sale de la bodega s. Llamando al conjunto evento I, se tiene: ¿;
= {e, s}
Se puede definir el evento como una ocurrencia instantánea que causa transición desde un estado a otro; la ocurrencia de un evento implica alteración del sistema. Obvia_ mente E es un conjunto discreto. En la figura 2.14 se muestra una secuencia de eventos que pueden ocurrir en un periodo de tiempo. Como se observa en la figura pueden haber dos eventos capacidad infinita; si i(t) = 0, va en el tramo tll de la figura
se hacen algunas consideraciones, por ejemplo, no simultáneos, es decir, jet) *- o(t); la bodega tiene una es imposible que o(t) = 1 cuando x(t) = 0, como se obser_ 2.14; si i(t) = 0, entonces o(t) = O. 2.14,
Si se intenta derivar x(t) (x(t)) no es posible, pero se puede utilizar la notación t+ para el tiempo y definir x(t+) como: ,.:: ....
x(t+)
=
x(t) -1 x(t) {X(t)
si (i(t)
= O, o(t) = 1)
+ 1 sisi (i(t) (i(t) == O, 1, o(t) = O) O)
x(t) 7
Eventos
e e
G
e
s
e
e
s
s
s s
e
e
5
."
4 .) .)
I
1-
Figura 2.14.
I
.-1 Secuencia de eventos
pc e
- e~""--_
ée ~ bodega
.
•
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: .2. Automatizacián Industrial
•
Para estandarizar la no e tos definido como:
LABORATORIO
41
al se asume que ¿; representa el conjunto de even_ ~ = {el, e2,..., en}
Se asume que un evento e¡ e I, ocurre en el tiempo 'tik. La secuencia de eventos se define como:
Donde eil E ¿; ocurre en el punto de tiempo discreto 'til, ei2 E ¿; ocurre en el tiempo 'ti2,..., eik ocurre en el tiempo 'tik,..., eiNocurre en el tiempo 'tiNoEn donde: 'til < 'ti2< ...<'tik···<'tiNo La secuencia () se denomina proceso discreto. Cuando los elementos de una secuen_ cia son eventos, se habla de cadena de eventos.
Ejemplo 2.1 La figura 2.15 muestra el esquema de un sistema de manufactura conformado por dos máquinas: M1 es un molino y M2 una mezcladora. Tiene tres bandas transportadoras: B1, B2 Y B3. Las partes a ser procesadas entran al sistema aleatoriamente y una por una a la banda Bl. Máximo esta banda puede tener tres partes. La entrada de cada pieza es detectada por el sensor 511. El foto-sensor 512 detecta pieza al final de Bl. 5i M1 está libre, la pieza es llevada por el mecanismo de transporte T1 desde B1 a Ml. Luego que la pieza termina el tratamiento en M1, mediante el mecanismo T2, la pieza se transfiere a la banda B2. Lo sensores 521 y 522 sensan la entrada de pieza a la banda B2 y llegada al final de esta banda, respectivamente. En esta banda sólo puede haber dos piezas. Al sensar pieza 522, y si la máquina M2 está libre, el mecanismo de transporte T3 la lleva allí, en donde continúa el trata_ miento de la pieza; una vez termina, el mecanismo T4 la traslada a la tercera banda B3. En esta banda, el sensor 531 detecta pieza, llevando las piezas hasta su final. Cuando llega al final, en donde es sensada por 532, se da la orden para que la pieza ya terminada, sea retirada. En la banda B3, puede haber simultáneamente máximo 4 piezas.
1011
'1 61 511
-+ Figura 2.15.
532 Sistema de manufactura
del ejemplo 2.1
Para definir el conjunto de eventos que se opera en una pieza, considerar la siguiente nomenclatura: Cuando inicia un evento: s, cuando termina evento: e.
- = {SBlr SB2,SB3,eBl, eB2,eB3/M1Blr M1BL,M282JM283, S
['011 ,
-.
eMl/ SM2,eM2}
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: 2. Automatización Industrial
Este es el proceso que sigue una
RATORlO
42
el sistema (en orden desde la entrada hasta la salida):
1. La pieza se coloca al comienzo e ~ a B1. Esta acción es detectada por Sl1 2. La pieza llega al final de la ban a _ 3. El mecanismo de traslado lleva la ieza esde B1 hasta la máquina M1 4. Inicia el proceso de tratamiento en la áquina M1 5. Termina el tratamiento de la pieza en M1 6. El mecanismo de traslado T2 lleva la pieza desde M1 a la banda B2 7. Se detecta la pieza en la banda B2 y se inicia su traslado sobre la banda 8. La pieza llega al extremo de la banda B2¡ acción que es detectada por el sensor S22 9. El mecanismo de traslado T3 lleva la pieza desde la banda B2 a la máquina M2 IO.Inicia el tratamiento de la pieza en M2 11.Termina el tratamiento de la pieza en M2 12.Mecanismo de traslado T4¡ lleva la pieza desde M2 hasta la banda B3 l3.Detecta pieza la banda B3 y se inicia su traslado al otro lado de la banda H.Se detecta pieza al final de B3 mediante el sensor S32¡ se da la orden de retirar pieza. El siguiente aspecto a establecer¡ es la secuencia como suceden los eventos. Se pueden establecer infinidad de posibles secuencias¡ teniendo en cuenta restricciones como: máximo número de elemen_ tos en cada banda simultáneamente¡ en cada máquina sólo puede haber una pieza cada vez¡ se pueden procesar simultáneamente piezas en las dos máquinas. Dos posibles secuencias son: al = SBleBlMIC1sMlsBleMlMIB2sB2eBlMIBlsMleB2M2B2SM2··· a2
= SBlsBlsBleBlMlBlsMl eBleMlMlB2sB2MlBlsMleB2M2B2sM2sBl'"
y se pueden establecer muchas más. fin ejemplo 2.1
Las propiedades de los sistemas DES son: •• Sincronización¡ •• Concurrencia¡ •• Paralelismo¡" •• Viveza¡ •• Reversibilidad¡ •• Alcanzabilidad.
Conflicto¡
•• Exclusión mutual
•• Bloqueo¡
Las herramientas utilizadas para el análisis, diseño y caracterización de los sistemas DES, son básicamente: • Herramientas gráficas, jes formales.
• Herramientas algebraicas¡
• Herramientas
basadas en lengua_
En cuanto a las herramientas gráficas, las más utilizadas son: •• Diagramas de transición-estado o máquinas de estado finito¡ lt GRAFCET¡ •• Diagramas lógicos.
•• cartas de estado¡ •• Redes de Petri¡
Las herramientas algebraicas son: •• Álgebra Booleana¡
• Expresiones algebraicas basadas en espacio-estado¡
•• Álgebra Max-Plus
Los lenguajes formales: todos los lenguajes de programación combinados con sistemas de opera_ ción en tiempo real.
AUTOMATIZACIÓN INDU 2. Automatización Indu . ";
lABORATORIO
43
2.10. Una VIsta e la evolución contempla los siguientes e e ~ s:
de
proceso
de automatización
f e áquinas se desarrollaron a partir de dos sistemas de El control de procesos y el control distintos: el siste a i egrado y el sistema distribuido, que fue implantado a todas las plantas de producció .
El control de procesos comenzó su desarrollo sensando los elementos conectados directamente a los controladores, que a su vez fueron conectados directamente a las válvulas de control. El lazo de control inteligente fue distribuido cerca del proceso controlado. Esta distribución del lazo inteligente produjo un buen control de las varia_ bles individuales del proceso; pero los operarios no podían monitorear adecuada_ mente todos los lazos de control, especialmente en aquellos procesos ubicados en sitios remotos, tales como refinerías de petróleo, fábricas de papel, fábricas de acero, plantas químicas, etc. Los conceptos de control avanzado propuestos por los ingenieros de control solo eran teóricos porque no había forma de usar entradas para las variables de varios procesos, que perfeccionaran el control de variables críticas en el proceso. Entonces se desarrollaron los transmisores neumáticos, controladores y válvulas se estandarizaron las señales neumáticas en el rango industrial de presión de 3psi a 15psi; esta tecnología neumática posteriormente presentó proble_ mas/ entre ellos, los costos cuando las distancias entre el proceso y la sala de control son muy grandes; adicionalmente a las grandes distancias, se presentaban retardos que, en algunos procesos, resultaban peligrosos.
actuadoras,
El próximo paso en la evolución fue el desarrollo de los transmisores análogos, controladores y convertidores electroneumáticos. Las señales neumáticas fueron reemplazadas por señales eléctricas en el rango de 4mA a 20mA, ya que estas señales viajaban a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, así que los retardos entre los procesos y las salas de control eran mucho menores; también se redujeron drástica_ mente los costos/ pero surgió el problema de ruidos, ya que las líneas eléctricas se comportaban como antenas. El ruido generado redujo la precisión de las señales transmitidas y causó problemas con los algoritmos de control. El problema generado por las señales eléctricas llevó a implantar la computadora digital para reemplazar los controladores análogos por una gran computadora. El término Control Digital Directo (DDC: Direct Dígital Contro~ fue utilizado para describir este sistema. Pero la confiabilidad de este sistema fue un problema: si el computador fallaba, el proceso completo quedaba fuera de control, así que se optó por utilizar dos compu_ tadoras, con una se hacía el control de la planta y la segunda se utilizaba como reserva (backup), de modo que entraba en operación cuando la principal fallaba.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TE 2. Automatización Industrial
RATORIO
44 .-::
El control de máquinas co e edes cableadas de relés, motores, actuadores de fluidos y válvulas solenoi es. ~ i' emas servo controles usaron tubos al vacío y manejadores de velocidad varia le sistentes en generadores DC manejados por i ecta). Posteriormente aparecieron las máquinas de motores también de DC (tensi' control numérico basadas en el c ntrol digital. Los controladores programables aparecieron en la década del 70 reemplazando los armarios de relés por programas desarrollados en una computadora. En 1980 se desarrolla el microprocesador que, finalmente, permite el desarrollo del control avanzado, facilita los medios para mover los lazos de control al piso de la planta y la habilidad de comunicarse con la inteligencia distribuida, así que permite tener las ventajas del control distribuido y mantener completamente informado al operador de todo el proceso de la planta. La figura 2.16 ilustra una fábrica hipotética integrada con sistema de control distribuido y que tiene los dos procesos: control de procesos y control de máquinas. La línea que cruza desde arriba y el lado derecho en la gráfica representan la red de comunica_ ciones. Los términos data highway y Red de Área Local (LAN: local area network) son utilizados para dar una aproximación de las redes de comunicación. En la década del 80 la industria comenzó, con gran empuje, a resolver el problema de las comunicaciones con los distintos dispositivos de las plantas de producción. El propósito de todo este esfuerzo era desarrollar una serie de estándares a los que se asignó la expresión: Protocolo de automatización de la fabricación (MAP: Manufacturer's Automation
Protoco~.
Todos los lazos de control en la figura 2.16 están encerrados en el piso de la planta. La Unidad de Control Local (LCU: Local Control Unit) contiene los módulos de entrada-salida que condicionan las señales de entrada y los módulos de control que portan los algorit_ mas de control. Los módulos de control tienen acceso a todas las entradas del proceso dando al ingeniero de control total libertad para aplicar las técnicas del control avanzado. Las unidades de control local son diseñadas para soportar los difíciles ambientes de las plantas industriales, así que los lazos inteligentes se pueden ubicar cerca de los procesos a controlar; los transmisores de medida son inteligentes ya que cada uno contiene un microprocesador, con el que se: convierte la señal análoga en señal digital, Iinealizan la señal, eliminan ruido, convierten la señal a unidades de ingenie_ ría, almacenan las claves de los transductores y almacenan los datos de las últimas calibraciones, pueden almacenar datos anteriores para optimizar los análisis futuros. Todos los módulos en el sistema son direccionados con su etiqueta de clave y los datos pueden ser obtenidos de algún módulo en el sistema y en cualquier punto dentro del sistema.
AUTOMATIZACIÓN
2.
INDUSTRI.M..:
Automatización
45
-
Industrial
0ATlBLJ:: LOCAL
1111I1
Management station Á---------
Engíneering station
Maintenance station
- -- ---- --- ------ -. - - - - - - - -- -- - ----.--
-- - - - -1
11111111111111111
Central Control Room station
LCU
A
Continuous processor modules
rOl:';~~:.,:",
_/
--"',---
~
Cont,nuous processes
f~'
(.2)
station
LCU
E
Bath processor modules
F G
Bath processes
H Robotíc work cell:
Machine
n:
tooll\,j--;~-r-¡)NC ontrolle
Loading robot ,!,--;J SUP~IY '.¡ , !
~
W :
L-J.
---:
J,Unload robot
i.
O
: í - - L
A.~- 'h·r~:c--·· -., !,':.~;::: ','. O ' n'" lJ_L Y... , ..l ~¡:
~ ,.
!
'...,--,-F -'
~ :: ~:::::::::
LCU
Robotíc work cell controller
o
"r--
~:::::::: ::~~~~~~JJTake-away
~ Contactor
Ll ~ L2
I ~._~--
~
l
programmable logic controller PLC
I
r--->-> __ Motor' -;-:--~~:~::~:::::::::::
i
Heatíng element
Sequent,aJ systems
Figura 2.16. Fábrica Integrada con (Oiltrol Distribuido
Robotic work cell operator's station
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 2. Automatización Industrial
46
La unidad de control LCU puede antener procesos continuos, grupos de procesos y celdas de trabajo robotizados. Adicionalmente otras unidades tales como PLCs pueden ser interfasados con las redes de comunicaciones. Los operadores locales, los operadores de las salas de control central, mantenimiento de planta, ingenieros de planta y administradores de planta, tienen acceso a toda la información vía pantalla o interfases humano-máquina (HMI: Human Machine Interface).
Ejercicios 2.1 1. Explique cómo funciona el regulador de doble efecto de la figura 2.1.
2. En la estructura jerárquica propuesta por la NBS y descrita en el capítulo, en cuáles niveles cree que se puede desempeñar el Ingeniero Electrónico. Sustente su respuesta. 3.
Qué características, estudios o cualidades cree que debe tener un ingeniero electrónico para poder desempeñarse en los niveles 4 y 5. Sustente su respuesta.
4.
Suponga que ha sido consultado para asesorar la viabilidad y montaje de una planta procesadora de basuras (reciclaje). Describa con todo detalle cómo podría ser esta planta, si se basa en el modelo piramidal de la NBS. Incluya dentro de su propuesta, los profesionales y las áreas de especialización que requiere para su estudio (asesores); (puede proponer otro tipo de planta).
5.
La figura 2.17 muestra el esquema de un taller de manufactura.
BODEGA
~
TALLER
.1
j
MATBUA" PRIMA
,'.
.jtMETAL
TALLER t\'lADERAS
~MECANlCO
"
.
~. , r------, .' A~ I I
r-----l I i I I I I _____ -L I
+
F'·' ~
1 ~
~----------l
I I
I ....; - L- - - - - ~
ru~ ~ AGV- I
--L _,.
:::=======;;;;:
~
I
1===
I
j
L- - - - - - - - I
TALLER Et'J N 1BLE
BODEGA DE ALMACENAJE PRODUCTOS FINALES
Figura 2.17.
I I
lt
~TALLER :.- PLÁSTICOS Presentación gráfica
Allí se fabrican muebles que pueden estar hechos con en donde se procesa la parte metálica del mueble, otr
de n la -
a 'e e
e,
='
me
ufactura
ei..dl y plástico. Hay tres talleres: uno
-0CE52 la madera y el tercero, en donde
AUTOMATIZACIÓN INDU
~RATORIO
1
47
2. Automatización Industria' se produce la inyección <> ensamble de las partes del bodega en donde se tiene la espacios físicos de la fábrica
ueble que lo requiera. En un cuarto taller, se efectúa el do terminado se lleva a un depósito. Hay, también, una odos lo materiales se transportan automáticamente a los . La línea a trazos, indica las rutas que sigue el AGV.
~
¿Qué tipo de planta es, có es automatización puede tener? Elabo e gica y comercialmente.
. posición del proceso, y qué niveles de la pirámide de dio de esta planta y cómo se puede establecer tecnoló_
6.
Para el proceso del ejemplo 2.1, pro~
er cinco secuencias diferentes a las ya anotadas.
7.
La celda de manufactura analizada en el ejemplo que se obtiene siempre es idéntico.
2.1 es característico de una producción en serie;
d producto
Cuando se requiere producción de diferentes productos, la FMS debe tener una disposición de produc_ ción serie-paralelo. Un ejemplo de esta celda de manufactura se muestra en la figura 2.18 .
.--f __
----El
M11
/'~
:=1'
______ INl'UI \ .,_'_ / .•.•.
_._[
'=-"==C=2 ==~:"·:)==I
". -f..'.M21
_~ __C_1_'_t-~ \'-J vR2;' ¡C4 I
\'.
~ - -.-
_.-
..
{~
.~
\.
L::.LJ
~
1 .• /
,,'0
3
OUTPUT
Figura 2.18.
Celda de manufactura
con arreglo serie-paralelo,
para el ejercicio 2.1.9
Consta de tres brazos robots Rl-3, cuatro cintas transportadoras C1-4,cuatro máquinas CNC M1+ En trazo punteado se muestra el alcance de cada brazo. En la Tabla 2.1, se indican los equipos requeridos para fabricar cada uno de los productos. Tabla B M4M2 MiM3 Producto M2 D M3 M3 o M3 M3 M4 oo M4 M4A e Mi M4 Producto OperaciónMZo
2.1
Por ahora no interesa el tiempo empleado en el procesado del producto en cada máquina. Escriba el conjunto de eventos del proceso de fabricación y proponga cinco secuencias diferentes para obtener los cuatro productos. Fin ejercicio
2.1
AUTO MATIZACIÓN
48
INDU
3. Dispositivos de Control
3. Dispositivos de Control Eléctrico .
3.1.
.-
,
Introduccion
En el control y accionamiento de los sistemas de procesos, en el nivel de planta (nivel 1 de la pirámide de automatización) se utilizan dispositivos de control eléctrico. Son dispositivos de maniobra, regulación, seguridad o de control, empleados en las instalaciones eléctricas. A todos estos dispositivos también se les conoce como equipa_ miento eléctrico.
Se dispone de dispositivos de baja tensión, normalmente alta tensión por encima de lOOOV.
por debajo de
lOOOV
y de
Estos dispositivos: conectan, sensan, regulan, actúan e inician algún proceso. Por ejemplo: conectan y desconectan circuitos eléctricos, sensan la posición de algún objeto, regulan la velocidad de un motor, actúan sobre válvulas neumáticas o hidráulicas, inician alguna secuencia de procesos temporizados. Pueden actuar: mecánicamente,
electromecánicamente
y electrónicamente.
Actúan mecánicamente mediante un actuador q e uede ser: manual si lo acciona un o alguno de los siguientes trans_ operario y automáticamente cuando es aecio a le as, posición, etc. ductores: presión, nivel, flujo, sobrecarga é
i ,
Actúan E!ectromecánicamente cuando se a electrónicamente cuando utilizan disposi .
lenoide (relé, contactar) y actúan s 'Iido.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO
49
3. Dispositivos de Control Eléctrico
Los dispositivos se pueden accionar: momentáneamente cuando se actúan y al Iiberarlos vuelven a su posición original y en forma mantenida, esto es, cuando se accionan, adquieren la nueva posición. Esta forma se puede asociar al término enclavamiento o autosostenimiento.
Para la selección de estos dispositivos se tienen en cuenta los siguientes tópicos: • Configuración: se refiere al tipo de dispositivo, número de contactos y posiciones que se requiere para una determinada utilización; consideración de expansiones futuras para su selección adecuada. • Voltaje y corriente: en donde se considera la magnitud del voltaje que se desea conmutar, trata de corriente AC o DC y el valor de la corriente que se va a conmutar o interrumpir.
si se
• Ciclo de vida: que se refiere al número de conmutaciones o cambios de posición de los dispositivos de conmutación; es importante conocer ese número para dimensionar el periodo de vida de servicio. • Consideraciones de ambiente: esto es, si el dispositivo se coloca en un ambiente altamente contamL nado, húmedo, o debe soportar temperaturas variables, si el ambiente es muy explosivo; todos estos factores u otros se deben tener en cuenta al momento de seleccionar el dispositivo eléctrico. • Tamaño físico: ubicar. Se tendrá circuito impreso o emergencia, debe
se debe escoger el conmutador o pulsador adecuado para el sitio en donde se va a en cuenta si el dispositivo se coloca en un panel de control, si forma parte de un se ubica en un equipo de medida portátil. Por ejemplo, si se trata de un pulsador de ser muy grande para una actuación segura.
• Otras opciones. por ejemplo, poseer indicadores cualquier otro medio de señalización y/o seguridad.
luminosos
(pilotos),
llave de enclavamiento
o
Las principales características nominales de los dispositivos eléctricos son: ../ Tensiones nominales de sus circuitos principales y de sus circuitos auxiliares. ../ Las corrientes nominales de sus circuitos principales. ../ Poder o capacidad de ruptura o de desconexión nominal. ../ El poder de conexión nominal. ../ Las sobre intensidades (surge currenf) admisibles nominales que pueden soportar sus circuitos principales. Las sobre intensidades pueden ser por cortocircuitos o sobrecargas
Al trabajar con circuitos eléctricos, en especial de alta tensión y corriente, pueden suceder dos situaciones peligrosas: el cortocircuito y la sobrecarga. Se produce un cortocircuito cuando hay conexión directa entre dos o más conductores de distinta fase (corriente alterna) O de distinta polaridad (corriente directa) en una instala_ ción eléctrica. El cortocircuito aumenta extraordinaria y rápidamente la intensidad de la corriente que atraviesa un circuito eléctrico y pueden tener efectos desastrosos sobre las máquinas y líneas eléctricas, por lo que debe controlarse rápidamente, de lo contrario, deterioran las líneas eléctricas fundiendo los co ductores y destruyendo las máquinas eléctricas conectadas a su paso. Un circuito eléctrico o los equipos que lo con cuando el circuito trabaja con mayor intensida está proyectado. Por ejemplo, un motor cuya c un consumo de 150A. Aunque no es tan especl2
están sometidos a sobrecarga, "e que aquella para la que' i al es lOOA y se somete a el corto circuito, los efec
t-~
INDU~ 3. Dispositivos de Control EJ' " "-
AUTOMATIZACIÓN
tos de la sobrecarga tam ié tores, pues provocan eale . perforaciones en los aislan'e trabajan con bajo rendimien' o.
ORATORIO
50
perjudiciales para aparatos, equipos y conduc_ s indeseables, que a la larga pueden producir oeireuitos; además, las máquinas sobrecargadas
En un cortocircuito se presenta u aumento prácticamente instantáneo y muchas veces mayor de la intensidad de corriente que pasa por un circuito, mientras que la sobrecarga está caracterizada por un aumento de cierta duración y algo mayor de la intensidad de la corriente. Generalmente el cortocircuito es de carácter eléctrico (conexión directa entre dos o más conductores) mientras que la sobrecarga está originada por causas mecánicas (por ejemplo agarrotamiento
3.2.
en los engranajes de una máquina).
Dispositivos de Maniobra y Mando
En la denominación de dispositivos auxiliares de maniobra y mando se incluyen aquellos elementos que normalmente van asociados a los contadores y otros equipos principales de mando. Por lo general, estos aparatos auxiliares están montados directamente a la máquina o dispositivo sobre el que actúan y su funcionamiento depende de la acción de un operador, de la variación de una magnitud, de la posición, etc. Para cada función existen diferentes modelos, de modo que puedan responder a los múltiples casos y aplicaciones que se presentan en la industria. Como están expues_ tos a choques, golpes, ambientes muy contaminados, estos dispositivos deben elegir_ se y montarse cuidadosamente ya que de su buen estado, depende el funciona_ miento y la seguridad en las instalaciones de la fábrica. Así que los fabricantes ofre_ cen modelos adaptados a diversos ambientes, a las diferencias de velocidad de operación, a los diferentes números de maniobras, etc. En forma general, los dispositivos de maniobra y mando se pueden dividir en dos Jra des grupos: _. Apara'"os para mando manual. interruptores, pulsadores, llaves, conmutadores, etc. 2. lparatos para mando automático: contactos de mando mecánico, termostatos, idón, interruptores térmicos, etc.
3.2.1.
sensores
de
Interruptores
El interruptor es un dispositivo destlnado a obtener la ruptura o cierre de un circuito eléctrico. Se puede completar la definición indicando que un interruptor es un dispositivo de maniobra para la conexión y deseo exión voluntaria o automática
AUTOMATIZACIÓN
3.
INDUSTRIAL:
TEO
lABORATORIO
-
51
Dispositivos de Control Eléctrico
de circuitos eléctricos, en los interrupción están fijamente u
'ales todas las piezas que sirven para la unión o la as sobre una base común.
Se pueden clasificar según difere tes criterios. l.Según
la clase de accionamienta:
Interruptores Interruptores Interruptores
manuales. de pedal. de mando a distancia.
2. Según la clase de extinción del arca: Interruptores Interruptores Interruptores Interruptores Interruptores
de de de de de
aire. aceite. agua. gas a presión. vado.
3. Según la aplicación: Interruptores Interruptores Interruptores Interruptores Interruptores
de protección. seccionadores. selectores. de mando. auxiliares.
4. Según la potencia de desconexión: Interruptores Interruptores Interruptores Interruptores
para maniobra en vado. para maniobra con carga. para motores. de potencia o disyuntores.
La descripción de algunos de los interruptores según la potencia de desconexión es: Los interruptores para maniobra en vacío son aparatos de corte que por sus características de cons_ trucción, solamente pueden interrumpir circuitos sin carga o con carga muy reducida. Se emplean para dejar sin tensión las· partes de la instalación que están situadas detrás de ellas, una vez que estas han quedado sin corriente por desconexión en otro punto. El aparato de corte actúan simplemente reducida.
que representa a estos interruptores son los seccionadores, cuyos contactos por rozamiento de cuchilla y cuya capacidad de extinción del arco es muy
Los seccionadores se fabrican para soportar desde 400mA hasta 600mA para tensiones hasta de 46KV. Las normas ICONTEC especifican seccionadores tipo estación y tipo distribución dependiendo de su ubicación en la planta, de acuerdo a la norma NTC2157.
Algunas especificaciones y características dadas por fabricantes de los seccionadores: • • • • • • • • •
Diseño compacto. En las conexiones tetrapolares, el neutro no requiere módulo adicional. Posibilidad de realizar interrupciones de 6 a 8 polos. Las manijas -cuchillas- brindan grado de protección IP-65 y admiten bloqueo por candado El neutro abre en atraso y cierra en adelanto al resto de las rases. Visualización directa de la posición de los contactos del intefTUp~or Amplia variedad de accesorios para evitar contactos accid~ le les. Todos los interruptores tienen propiedades de seccionador seqún lEC 60947-3 Alta tensión de aislamiento, entre 1000V a 1500V Algunos tienen indicador de fusión de fusible.
AUTO MATIZACIÓN
INDU
52
ORATORIO
3. Dispositivos de Control
Figura 3.1. Fotos de diferentes tipos de seccionadores. Tomado de: http://www.directindusby.es/fabricante-industrialjseccionador-75585.html
Los interruptores para maniobra con carga son dispositivos destinados a la conexión y desconexión de intensidades de corriente de magnitud aproximada a la intensidad nominal YI en algunos tipos espe_ ciales llegan a soportar entre 2 a 4 veces la corriente nominal. Estos interruptores se utilizan con cargas no inductivas: alumbradol calefacción, etc. Los interruptores para motores son dispositivos que pueden interrumpir intensidades de corte del orden de 6 a 8 veces la intensidad nominal, pero en muy cortos tiempo. Son los más empleados en la maniobra directa de motores eléctricos, recomendándose esperar a desconectar una vez ha transcu_ rrido el periodo de arranque, pero con la facultad de desconectar a plena sobreintensidad en caso de emergencia (por ejemplo en una falla del motor accionado). En la selección de estos interruptores • • • •
se deben considerar los siguientes aspectos:
Capacidadde carga permanente (intensidad nominal del motor) Potencia de conexión (en el arranque del motor su corriente aumenta 4 a 6 veces la corriente Nominal). Potenciade desconexión (se generan arcos debido a las autoinducciones de los motores) Duración y frecuencia de maniobras
Dentro de estos interruptores estál los interruptores Los guardamotores o interruptores motores y protegen sus devanados Los guardamotores deben cumplir acdonamiento permite visualizar el
http://www
de tambor, contactores y guarda motores.
protectores de motores, facilitan la conexión y desconexión de los contra calentamientos en el caso de producirse sobrecargas. con la norma lEC/EN 60 947-4-1. El movimiento rotativo de su estado del interruptor: horizontal abierto, vertical cerrado.
Figura 3.2. Fotos de guardamotores. T -d de: .google.com .co/ímgres?imgurl=http://www.aea.com.ar/automa.dz2!:io.--.joovedades/i
magenes/ guardamotores_l.jpg
53
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEO
3. Dispositivos de Control Eléctrico
.~
Estos dispositivos manejan corrie más amperios (l1KW, 400V) con capacidad de interrup_ ción de corto circuito de hasta 1 I '- ¡ante un bloque Iimitador. Contienen distintos accesorios como: bobinas de apertura por mínima ~e ión, disparadores a distancia, contactos auxiliares laterales y frontales, señalización de disparo d" ere dada por cortocircuito o sobrecarga, algunas pueden tener implementado un accionamiento motorizado. Algunas características y especificaciones dadas por fabricantes: • • • • • •
Protegen contra sobrecarga a consumidores e instalaciones. Disponen de botón pulsador manual para ser actuado por operario Tiene protección térmica y magnética de motores de corriente alterna y directa. Cumplen normas lEC 947-2/ lEC 947-4-1 YVDE 0660 Capacidadde interrupción de 65KA Capacidadde corriente desde 0.1 a 25A a 690VACy 220VDC
Los re/és térmicos son interruptores para motores dispuestos en cada polo. Estos relés son calentados por la corriente que pasa por los conductores de alimentación del motor y cuando el calentamiento rebasa un límite determinado, provoca la desconexión del motor en todas sus fases. El tiempo de desconexión es tanto más corto,' cuanto más elevada sea la sobrecarga y mayor sea su calentamiento previo, debido a la corriente de trabajo. Se produce también la desconexión en el caso de marcha con fallo en una de sus fases, puesto que un motor cargado consume una corriente excesiva por efecto de las otras fases. Protegen a los motores de su destrucción por causa de: rotar bloqueado, sobrecarga, falla en fase.
Figura 3.3. Fotos de relés térmicos. Tomado de: http://vvww.tbcin.com.ar/ímqs/pdff05%20Contactores%20COLOR%20
Estos relés utilizan la variación de forma y estado de un bimetal al alcanzar una temperatura determinada, acciona un contacto mediante resistencias por las que circula la intensidad del o' or. disipado se establece a temperaturas diferentes, de ac e' n tura de respuesta, se efectúa la desconexión. El tiempo e la carga previa del relé.
11.pdf
que está sometido a calentamiento y auxiliar. El calentamiento se efectúa El equilibrio ente el calor generado y la i tensidad. Al alcanzar la tempera_ 'ón depende de la intensidad y de
r;.
AUTO MATIZACIÓN
INDU
ORATORIO
54
3. Dispositivos de Control El'
Empleo hórmal. sinaverias
Figura 3.4.
Sobrecarga
trifásica
Fallo de una fase (carga en dos fases}
Forma de disparo del relé térmico por falla en una o las tres fases. Tomado de: http://www.kmsomerinca.com.ve/relmot-z.htm
Cuando se deforman los bimetales en el circuito principal del relé debido a una sobrecarga trifásica del motor, actúan los tres bimetales sobre un puente diferencial. Una palanca de disparo conjunta, con_ muta el contacto auxiliar al alcanzar el valor límite (figura 3.4). En el caso de la falla en una fase, cuando un bimetal no se deforma igual que los otros, o bien, retorna a su posición de frío diferente de los otros dos, entonces el puente de disparo diferencial recorrerá tramos diferentes. Este recorrido diferencial se transforma por medio de una transmisión en un reco_ rrido adicional de disparo, luego se efectúa más rápido. Algunas características y especificacionesdadas por fabricantes de los relés térmicos: • • • • • • • •
Regulacionesdesde O.l1A hasta 850A y tiempos de disparó entre lOs y 20s. Circuitos de mando y de potencia hasta 690VAC Compensaciónautomática de la temperatura ambiente entre -250C y +60°(, Posibilidadde montar un bloque de contactos auxiliares para señalización. Protección contra tiempos de disparo largos. Pulsadorfrontal" Test de disparo". Contactos auxiliares de disparo de doble ruptura e independientes (lNA+ 1NC). Selecciónmultifunción: rearme manual, rearme manual con paro, rearme automático con paro y sin paro,
Otros interruptores para motores, son los interruptores termomagnéticos. Son dispositivos que, al igual que los relés térmicos, por exceso de temperatura debida a la corriente circulante desde la red al - motor, lo desconectan al elevarse la temperatura dada como referencia; pero en estos relés, también opera un efecto magnético, es decir, al paso de la corriente se genera un campo magnético, así que estos interruptores tienen doble protección para los motores: si por alguna causa, el calentamiento no es s I dentemente rápido para actuar el interruptor, el efecto magnético sí lo hará rápidamente.
I gura 3.5 presenta las fotos de algunos interruptores termomagnéticos. nas especificaciones dadas por fabricante se detallan a continuación: Unipolares: 220/415 Vea. Bipolar, tripolar y tetrapolar: 380/415 Vea. La tensión de aislamiento (Vi) ha sido establecida en 660 V. Poder de corte: a) Serie básica: 4.5 kA (1cn=1cs)Cos w = 0.75-0.8 b) Serie industrial: 101=10 kA/1cs=7.5 kA Cos w = 0.45-0.5 hasta 32 A Icn=1cs=6 kA Cos w = 0.45-0.5 de 40 a 63 A Para aparatos unipolares, bipolares con dos polos protegidos, tripolares y etrapolares con 4 polos protegidos.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
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RATORIO
55
3. Dispositivos de Control Eléctri
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Figura 3.5.
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Fotos de interruptores termomagnéticos. Tomado de http://www.zoloda.com.ar/productos/inttermomagdif.htm
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Figura 3.6.
Fotos de interruptores diferenciales Izquierda para tensiones de 230/240VAC, derecha con tensión de 400/415VAC. Tomado de: http://www.zoloda.com.ar/productos/int_termomag_dif.htm
.-
Los Interruptores Diferencia/es proporcionan protección a las personas contra las descargas eléctricas, tanto en el caso de contacto directo como contacto indirecto (sensibilidades inferiores o iguales a 30 mA) y también protección para las instalaciones (sensibilidades de 300 mA). Están diseñados de acuerdo a la Norma lEC 61008 Y pueden ser utilizados como seccionadores. Las sensibilidades de trabajo son 10, 30 Y 300 mA, tanto en ejecuciones bipolares como tetrapolares. Los interruptores diferenciales de la serie NFl se encuentran protegidos contra disparos intempestivos. La figura 3.6, muestra dos interruptores diferenciales, el de la izquierda para tensiones de 230/240VAC y aparatos bipolares, el de la derecha con tención de 400/41SVAC y aparatos tetrapolares; ambos operan a frecuencias de SO/60Hz. Los interruptores de potencia, también conocidos como disyuntores, tienen gran capacidad de ruptura, pudiendo desconectar, incluso, corrientes de corto circuito, por lo que en estos elementos de corte, adquieren gran importancia los dispositivos de extinción de arco. Han de desconectar bajo situación de cortocircuito muy rápidamente sin que sus contactos resul en perjudicados. Los interruptores de potencia se emplean para protección e redes contra sobre intensidades y corto_ circuitos, para fraccionar y subdividir redes eléctricas, ar acometidas importantes, etc.
.•..
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INDUSTR.It.:.: T3:zt:A 3. Dispositivos de Control ~ •
RATORIO
AUTOMATIZACIÓN
56
Figura 3.7. http://3.bp.blogspot.com/
_bdmi8p/T
Foto de disyuntores. Tomado de: 8/RfGCzwigzsII AAAAAAAAAA8/fYzbASXoMRM/s320/fotosica.jpg
Ya que estos dispositivos están permanentemente conectados a los circuitos y su ruptura es poco frecuente, dichos interruptores se construyen para una frecuencia reducida de maniobras; por lo general se considera una duración útil total de 100000 maniobras, por lo que son admisibles como máximo unas 30 maniobras por día, situación contraria a la de los interruptores para motores, guardamotores y relés térmicos cuya operación diaria es muy frecuente. Los interruptores rotativos a levas son llaves conmutadoras que han sido diseñados para su aplicación como interruptores principales, control de motores, maniobras en máquinas, etc. Pueden conmutar circuitos que tengan corrientes desde 16A hasta 1500A o más amperios.
Figura
3.8.
Fotos de algunos interruptores rotativos de levas. Tomado de: http://www.zoloda.com.ar/downloads/i ntrot. pdf
Debido a su función como conmutador, en su diseño y construcción posee características especiales como: son de ruptura brusca, los bloques de contactos fabricado en poliéster y reforzado con fibra de vidrio para auto extinguir el arco, soporte de los contactos de latón o cobre y contactos en aleación de plata por ofrecer gran resistencia al arco y a la soldadura entre ellos, pueden poseer hasta 24 contactos y si se requieren más, se utilizan arreglos de interruptores en tandem (dos aparatos accio_ nados por el mismo mando). La figura 3.8 muestra fotos de diversos tipos de interruptores rotativos a levas; en algunos de ellos se observan los sistemas de seguridad para evitar que sean accionados accidentalmente.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL:
57
TORIO
3. Dispositivos de Control Eléctri
3.2.2.
Pulsadores
Los pulsadores se e lea ara la maniobra de contactores y combina_ ciones de ellos, abrir o cerrar circ j" s a xiliares, la señalización, el mando de relés, etc. En la figura 3.9 se muestra el es uema de un pulsador. Consta de dos elementos principales:
• Botón pulsador
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Figura 3.9.
• Cámara de contactos
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Esquema de un pulsador
Al accionar el botón pulsador, este actúa sobre el vástago de la cámara de contactos, que es mecánicamente solidario con los contactos de apertura y de cierre, situados en el interior de la cámara. Los pulsadores pueden ser: • De contactos mantenidos o permanentes (hold): En estos pulsadores al dejar de accionar sobre el botón pulsador, el contacto correspondiente permanece en el estado a que ha sido llevado por la acción de dicho botón, es decir, actúa como un interruptor y la orden de mando es permanente. • De contactos por impulsos: En estos pulsadores cuando cesa la acción sobre el botón pulsador, el contacto retorna a su posición inicial (de reposo).
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Se presenta la siguiente clasificación de los pulsadores: 1. Por las condiciones mecánicas de mando: el pulsador es un dispositivo de accionamiento manual, actuado por un operario, por lo tanto, una clasificación de los pulsadores según este criterio, se refiere a la forma y características de las cabezas de los pulsadores. Entonces se tienen: 1.1 Pulsadores rasantes: que evitan cualquier maniobra involuntaria. 1.2 Pulsadores salientes: recomendados para usarlos con las manos aisladas. 1.3 Pulsadores con capuchón de protección: cubiertos con una goma sintética que asegura protección contra ambientes contaminados con partículas. 1.4 Pulsadores de emergencia con cabeza de zeta: permiten una gran rapidez de maniobra y se recomienda para parada de emergencia; botón con gran superficie y su accionamiento exige pequeño esfuerzo y se puede accionar con la palma de la mano. 1.5 Pulsadores con enclavamiento por llave con cerradura incorporada: permite el enclavamiento en la posición de reposo o de trabajo, según la necesidad. 2. Por las condiciones eléctricas de mando: esta clasificación se refiere a la disposición de las cámaras de contactos, pues es allí en donde se desarrollan las ó enes e ma do iniciales. Por lo general, una IC[:lOSO o de trabajo, encerrados en la cámara de contactos está constituida por dos conta . Es posible unir dos o más cáma_ cámara aislante y que son accionados externamente ées:::f-e ~ 3.~ algunas combinaciones. ras, para disponer de varias acciones simultáneas. La ~S
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RATORIO
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIA!.: -
3.
58
Dispositivos de Control 8éG:::'
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•
Figura 3.10.
Disposidón
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de las cámaras de los pulsadores
3. Clasificación de los pulsadores por las condiciones ambientales. los pulsadores han de trabajar en condiciones ambientales muy variadas, y en su construcción, deben adaptarse a estas condiciones. Se dispone de: 3.1 3.2 3.3 3.4
Pulsadores Pulsadores Pulsadores Pulsadores
para interior y servicio normal, construidos con caja aislante o de plancha de acero aislada. para interior y servicio pesado, construidos de fundición de hierro. para servicio en la intemperie, aislados contra lluvia y polvo. antideflagrantes, es decir para servicio en ambientes inflamables o explosivos.
Figura 3.11
3.2.3.
Fotos de diferentes pulsadores. Tomado de: http://www.raelectronica.es/materialjsignum.jpg
Detectores de posición Frecuentemente
el mando o enclavamiento
de maniobras en ciertas
operaciones, se realiza en función de la posición de alguna pieza o parte de la instala_ ción. Para realizar esta función se utilizan dispositivos auxiliares llamados detectores de posición o fines de carrera.
El detector de posición es un dispositivo de mando ampliamente utilizado en los equi_ pos de regulación, para modificar el circuito de mando de una máquina o equipo. Normalmente el dispositivo está unido mecánicamente con la máquina accionada y puede actuar de diversas formas: • Parando un motor en sus límites normales de carrera o recorrido. • Proporcionar una protección contra excesos de carrera. • Enclavar y regular la sucesión de movimientos de los distintos elementos. • Realizar funciones tales como la inversión de giro, la transferencia a otros circuitos, periodicidad de ciclos de funcionamiento, etc.
Existen en el mercado dos tipos generales de detectores de posición: 1. Detectores de posición para circuitos de mando, cuyos contad circuito de mando. 2.. Detectores de posición para circuitos de potencia, cuyos
están conectados solamente en el están conectados al circuito.
• ORIO
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: 3. Dispositivos de Control Eléctri
59
Enclavamiento
sobre el circuito de ener9í:~
Electroválvulas
Enclavamierrto sobre el circuito de mando
Electroválvulas
Enclavamiento complementario al
-r:J~~~~ ~I-------
-'-~-~~---->'~-~-~ ----
•
r
enclavamiento
sobre el circuito de mando
Acciona
Doble circuito de enclavamiento
Figura 3.12.
Cuadro que muestra la posición de los fines de carrera en diferentes situaciones de lazos de control
Observación:
Un resguardo es un medio de protección que impide o dificulta el acceso de las personas o partes de su cuerpo, al punto o zona de peligro de una máquina. Un resguardo es un elemento de una máquina, utilizado específicamente para garantizar la protección mediante una barrera material. Dependiendo de su forma, un resguardo puede ser denominado carcasa, cubierta, pantalla, puerta, etc.
El número de contactos que posee el detector es variable y depende de la cantidad de conexiones requeridas. Oscila desde un contacto hasta cuatro (máximo) y pueden ser abiertos y/o cerrados, pueden ser, a su vez, normales o solapados. En la figura 3.13 se muestra el esquema de algunos detectores de posición con sus contactos.
e,-
--~ o---é-
(1)
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(2)
(3)
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~.v_v_;
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(5)
(4)
; ----¡o
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o--o--~ (6)
o---
-~--
(7) (9)
Figura 3.13. Ese:;
AUTOMATIZAO
3.
RATORIO
60
Dispositivos
Se observa de normali
ad en el número de contactos, y su característica ispone, entonces, de detectores de ruptura brus_ . La figura 3.14 corresponde a los diagramas de
Q
ea, ruptura 1--:2 carrera de al~
\~-,~._-. x
~;~;~::f,t._A_~_Ú __
(O) (G)
(H)
(~
(F)
I
Figura 3.14.
1
o
(e)
1
I
I
2
I 5 mm
4
carTera
Di2gramas de carrera de los fines de carrera de la Figura 3.13
Ejercicio 3.1 1. Asocie los esquemas de fines de carrera de la figura 3.13 con figura 3.14.
los diagramas de carrera de la
2.
En la figura 3.15(A) se ilustra una aplicación de los detectores de posicion a un circuito de ciclo periódico: Un recipiente cargado (figura (B)) gira para verter su carga y vuelve después a la posición vertical, en la que se detiene para ser cargado nuevamente.
R
S
T
1
=
pp
.... ~.,.
/
~
(~),,/ \
\
\,\, ~~ .•..
'-./
(B)
Figura 3.15.
(A) Sistema electromecánico
de aplicadól1
(B) Detalle del sistema que es acdonad
'e interrup'or
por
a sistema
7'
fin de carrera electromagnético
/
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL:
• ORlO
61
3. Dispositivos de Control Eléctri
Una tolva superior (que se indica es la que se quiere hacer mover. U observa que se llenó, acciona el indica la figura (B). Cuando la boca material cae, la tolva continua con s hacia arriba en donde se detiene .
•..
!
I
1_-
I ¡-
1
I
57'~UÓO')descarga algún material en la tolva vertical, que está pendiente del llenado de la segunda tolva; cuando archa PM y la gran tolva vertical se desplaza como o llega a la parte inferior, por efecto de la gravedad, el asta que regresa a la posición inicial, con la boca
"I
OPl
i ¡! III
I
90·
180°
I I
OP2 RA RAI RA2 CP CPI CAR.RERA
~. ------
O"
~
CICLO COMPLETO
Figura 3.16.
Ciclo del desplazamiento
270·
~
__
~
360·
90·
DE TRABAJO
circular de la tolva vertical del ejercicio
2
La figura 3.16 muestra el diagrama del ciclo de desplazamiento en grados de la tolva vertical. Solo está graficado hasta 90° de desplazamiento del disco de la figura 3.15(B). Se indica, al iniciar en 00, que al accionar PM, se energiza RA (bobina del relé auxiliar) e instantes después, cierra sus contactos auxilia_ res RA1 y RA2. Estos, a su vez, energizan la bobina del contactor principal CP y, luego de un retardo pequeño, cierra su contacto CPl. Es ahora cuando el sistema mecánico de la figura (B) iniCia el movi_ miento y el operario libera el pulsador PM. Interpretar el diagrama de la figura 3.15, describir cada uno de sus componentes y su función en el circuito. Explicar cómo funciona el circuito electromecánico. Completar el diagrama del ciclo de desplazamiento de la figura 3.16. Proponer aplicación del sistema. Fin ejercicio
Aspecto de diferentes fines de carrera y especificaciones.
• /'.- ..•.•
F~
mlcr<)lnl':IlUY'
LeJa con Rodillo C~nt
Embolo
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Ti a Embolo con Rúdillo • _ -!..,..
1
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::5 ::2 posición. :J2 .htm
Tipo a ElIIbolo cAarilla ['ul",doro 1 HA
.•. 1 NC
3.1
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL.: 3. Dispositivos de Control éG:i::::
::Z--:r~~:as :.....••••. -r..r¿ Tipo de operador
o
Segu-
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GS 105
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Aedon 2 N.e ¡121 N.A. BBM MBB N.A. l1N llN
':"l:¡
13N
-
N.e
0,34 Nm
2 N.e
2 N.A.
1 N.e
1 N.A.
MBB
0.34 Nm
Acción inst;intanea
llN
4 N.e
4 N.e
BBM
Pist On de domo de m~tal
2 N.e
2 N.A.
1 N.e 1 N.A.
MBB
AcdOll instantánea
0.20 Nrn
l1N
3 N.e.
1 N.A.
BBM
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MBB
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1
llN
0.34 Nm
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0.20 Nm
0.20 Nm
4 N.e
4 N.e
3 N.e.
1 N.A.
BBM
0.20 Nm
0.34 Nm
1M"
Palanca de metal
corta
3
2 N.e
2 N.A.
MBB
N.e.
1 N.A.
BBM
0.20 Nrn
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0.34 Nrn
VarIlla de resorte
me1.3nca
2: N.e
2
NA.
MBB
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" •.'1
:__
~
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! , .. ~.'::-"".":::'.» ""
0.20 Nm
f}
Figura 3.18.
3.2.4.
Especificaciones de fines de carrera CALLEN BRADLEY)
El Contactar
Es un aparato de accionamiento automático y que está en capacidad de conectar y desconectar circuitos con y sin carga. Sig i,ea que tiene dos estados de j' de mando y cuando se funcionamiento: cuando se energiza a través de u cj i '-erruptor gobernado a desenergiza; su funcionamiento es entonces ON/Q . Es distancia por acción de un electroimán.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TE 3. Dispositivos de Control Eléctri
La figura 3.19 muestra algunas
63
ORIO
nforman un contactar.
Figura 3.19. http://mediateca
Esquema de las partes de un contactar. Imagen tomada de: .educa. madrid .org/imagen/ver. php ?id_imagen= 7yk3aqezl19arc6p&id_grupo=
215
Carcasa: en donde se aloja toda la estructura del contactor. Es de material no conductor con alto grado de rigidez y resistencia al calor, sobre el que se fijan todos los componentes conductores de dispositivo. Circuito electromagnético: conformado por las partes que constituyen bobina, la armadura, el núcleo y el resorte.
al electroimán
como son la
La bobina: Es un alambre de cobre muy delgado que se enrolla alrededor del núcleo y a través del cual la corriente de la fuente va a circular y generar el campo magnético. El flujo magnético produce un par que es superior a la resistencia de los muelles que separan la armadura del núcleo, de manera que estas dos partes (armadura y núcleo) se unen fuertemente y se mantienen en ese estado mientras permanezca energizada la bobina. En el instante de energizar la bobina con corriente alterna, esta presenta una resistencia muy pequeña (prácticamente la resistencia del devanado) de manera que la corriente inicial es bastante alta; esta corriente inicial se conoce como corriente de llamada y es la causante de generar el campo magnético tan intenso para atraer a la armadura, venciendo toda oposición mecánica. Una vez se cierra el circuito magnético, al juntarse el núcleo con la armadura, aumenta la impedancia de la bobina, y la corriente en la bobina se reduce a su valor de trabajo; esta corriente se conoce como corriente de manten[ miento o trabajo y es por lo menos diez veces menor que la corriente d.e llamada. La armadura: es la parte móvil y su función es cerrar el circuito magnético una vez se energiza la bobina. Cuando la bobina está desenergizada, la armadura está separada del núcleo por efecto de un resorte; La separación entre estos dos elementos se conoce como entrehierro. El núcleo: El núcleo es una parte metálica y fija dentro de la estructura del contactor, de material ferromagnético y generalmente en forma de E, y que va fija a la carcaza. Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina (enrollada sobre él) para atraer con mayor eficiencia la armadura. Se construye con una serie de láminas delgadas, de acero af silicio con la finalidad de reducir al máximo las corrientes parásitas, aisladas entre sí pero nidas fuertemente por remaches. El magnetismo remanente se elimina completamente por m i e la i serción de un material paramag_ nético, complementando al pequeño entrehierro. Cuando se alimenta a la bobina con CA, el núcleo debe I sombra o anillo de desfasaje. Este elemento, al esta
c-
I~
e .o adicional llamado espira de
'e .., I a principal, suministra al cir_ t'
AUTOMATIZACIÓN
INDU
3. Dispositivos de Control Sé
64
"
cuita magnético un flujo a ,.. -;o diendo la elevación de la co .~ l~ El resorte o muelle, es el e ea a' bobina es desenergizada.
na especie de Cc. Esto evita ruidos y vibraciones, impL ffi2f1[E:fllimiento. e olver los contactos a su posición de reposo una vez que la
Contactos. Los contactos son elemleflms nductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de la corriente, ya sea en el . o de potencia o en el de mando, tan pronto como se energice la bobina. Éstos se pueden dividir en contactos principales y contactos auxiliares. Contactos principales. Son contactos instantáneos cuya función específica es establecer o interrumpir el circuito principal, a través del cual se transporta la corriente desde la red a la carga. Por esta razón deben estar dimensionados para permitir el paso de intensidades requeridas por la carga sin peligro de deteriorarse. Por su función, son contactos únicamente abiertos. Cuando un contactar bajo carga se desenergiza, produce una chispa, de manera que aunque la parte móvil se haya separado de la fija, el circuito no se interrumpe inmediatamente. Por eso, y más al trabajar con intensidades muy altas, se necesita de una cámara apagachispas, la cual tiene como función evitar la formación de arco o la propagación del mismo.
Contactos auxiliares. Son aquellos contactos cuya función específica es permitir o interrumpir el paso de corriente a las bobinas de los contactores o a los elementos de señalización, por lo cual están diseñados para intensidades débiles (corrientes de comando). Estos actúan tan pronto se energiza la bobina a excepción de los retardados.
Existen dos clases: 1. Contactos NA: llamados también instantáneos de cierre, cuya función es cerrar un circuito cuando se energL za la bobina del contactar al cual pertenecen. 2. Contactos NC: llamados también de instantáneos apertura, cuya función es abrir un circuito cuando se ener_ giza la bobina del contactar al cual pertenecen. Un contactar debe llevar necesariamente un contacto auxiliar instantáneo NA, cuya función es asegu_ rar la autoalimentación de la bobina, por lo cual recibe el nombre específico de auxiliar de sosten~
miento o retención. Existen contactores que tienen únicamente contactos auxiliares, ya sean NA, NC o combinados. Estos se los llama contactar es auxiliares o relés. Cuando un contactar no tiene el número suficiente de contactos auxiliares se puede optar por bloques aditivos o contadores auxiliares
El funcionamiento del contactar es semejante al de un electroimán: cuando la bobina es recorrida por la corriente eléctrica, genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo atrae con un movimiento muy rápido a la armadura. Al producirse este movimiento, todos los contactos del contactar (tanto principales como auxiliares) cambian de posición solidariamente: los contactos cerrados se abren y los abiertos se cierran. Para volverlos a su posición inicial de reposo basta con desenergizar la bobina. Cuando la bobina deja de ser energizada, abre los contactos por efecto del resorte de presión de los polos y del resorte de retorno de la armadura móvil. La, bo.bina está concebida para resistir los choques mecá icos provocados por el cierre y la apertura de los contactos y los choques electromagné 'cos ebidos al paso de la corriente por
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL:
65
3. Dispositivos de Control Eléctri
sus espiras; con el fin de re monta sobre amortiguadores.
es mecánicos la bobina o circuito magnético se
Los bornes de conexión de los ea letras que permiten identificarlos, fe
CONTACTaR y UN CONTACTO
·Iit·
CON TRES
res se ombran mediante cifras o códigos de cifras y las labores identificación y cableado.
:3nC;O
C
ACTOS
Y TRES CONTACTOS
AUXILIAR
Figura 3.20.
PRINCIPALES
Representación
AUXILIARES
simbólica de dos contadores
• Los contactos principales se identifican con una sola cifra, del 1 al 6. • Los contactos auxiliares están referenciados con cifras de dos dígitos. Las cifras de unidades indican la función del contacto, así: -+ -+ -+ -+
1 Y 2, 3 Y 4, S Y 6, 7 Y 8,
contacto contacto contacto contacto
normalmente cerrados (Ne). normalmente abiertos (NA). de apertura temporizada. de cierre temporizado.
La cifra de las decenas indica el número de orden de cada contacto en el contactar.
En un lado se
indica a qué contactar pertenece. • La bobina de un contactar se identifica con las letras Al y A2. En su parte inferior se indica a qué contactar pertenece. • El contactar se denomina con las letras KM seguidas de un número de orden.
En igual forma, el funcionamiento del contactar es semejante al de un relé, con la diferencia que el contactar está en capacidad de manejar corrientes muy altas. Como todos los dispositivos, presenta ventajas y desventajas en su uso. Dentro de las ventajas están: • Control y automatización de equipos y máquinas con procesos complejos. • Automatización en el arranque y paro de motores. • Posibilidad de maniobrar circuitos con corrientes muy altas mediante corrientes débiles. • Posibilidad de controlar completamente una máquina desde varios puntos de maniobra (estaciones). • Seguridad de los operarios puesto que las cargas (motores u otras cargas) están alejadas de los contacto_ res y circuitos de mando.
Las desventajas en el uso del contactar son: • Costo y tamaño: son costosos y de gran tamaño y cuan" o mayor sea la corriente de manejo, su costo y volumen aumentan. • Duración: por ser dispositivos con partes mecánicas, s t2dos se desgastan por las repetidas operaciones y por las chispas que se generan. La especificació da •.j er de cierres-aperturas es limitada. • Requieren de mantenimiento.
AUTOMATIZACIÓN
INDU
66
3. Dispositivos de Control EJéc:-'c Ejemplo de especificaciones
contactores de potencia:
Descripción: Contadores e. Rango de Potencia: 55 a 2 Corriente nominal: 120 a 55 :, .C--. Tensión de empleo: 400Vac, -11 fe No de polos: 4 Temperatura de operación: -25 a
ares para cargas trifásicas. Operación en AC y DC Bobinas DC
OC
La figura 3.21 muestra fotos de diferentes dispositivos de potencia de la marca SIEMENS.
Interruptores automáticos
Relé de sobrecarga
Figura 3.21.
Contacto res
Relé de tiempo electrónico
Fotos de algunos dispositivos electromecánicos
SIEMENS
La figura 3.22 muestra la simbología eléctrica de algunos de estos dispositivos.
CONTACTORES
Al
lJ
3J
5J 13J
~---:Y-:Y-J-j BLOQUES
53J
ADITIVOS
PARA
RELÉS TÉRMICOS DE PROTECCiÓN
CONTACTORES
53J 63J
61L
5~~;(
1 3 5 97J 95l m¡s-}-TrJ' 2 4 6 98
5~-~~
961
CONTACTORES
AUXILIARES
13J 23J 33J 43J
g" ' \ '
A2 -;~-~J--3~r~J GUARDAMOTORES o INTERRUPTORES
AUTOMÁTIcos
SECCIONADORES PORTA-FUSIBLES 11
-
2
Figura 3.22.
131
\"
~-
31
51 "
<;
{;
""\
- -"---.,,.- - -;--...., 14
Esquema de la disposidón Distintos dispositivos
i: rontactos ,e:2
icos
de
INDUSTRIAL: TEO 3. Dispositivos de Control Eléctrico
AUTOMATIZACIÓN
3.2.5.
67
Relés de Estado Sólido
En general, un relé es n conmutador eléctrico especializado que permi_ te controlar un dispositivo de gran potencia mediante un dispositivo de potencia mu_ cho menor. El relé clásico, dispositivo electromecánico, está formado por un electroimán y unos conmutadores mecánicos que son impulsados por el electroimán. El electroimán requiere una corriente de algunas decenas o centenas de miliamperio, generada por tensiones de algunos voltios, mientras que los contactos pueden estar sometidos a tensiones de cientos de voltios y corrientes de unidades, decenas hasta centenas de amperio, dependiendo del dispositivo y sus especificaciones. Por tanto, el conmuta_ dor permite que una corriente y tensión pequeñas, controlen tensiones y corrientes elevadas.
Se pueden generalizar las características de los relés electromecánicos así: • • • •
Aislamiento entre los terminales de entrada y salida Adaptación sencilla a la fuente de control Posibilidad de soportar sobrecargas, en los circuitos de entrada y de salida. Las posiciones de los contactos se caracterizan por tener: - Alta impedancia en el estado del contacto abierto - .Baja impedancia en el estado de contacto cerrado.
El relé de estado sólido (SSR: Solid State Relay) es un circuito electrónico que contiene en su interior un circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, que puede ser un transistor o un tiristor. Un diagrama en bloques que representa al relé SSR se muestra en la figura 3.23.
SALIDA TENSiÓN DE MANDO
SISTEMA DE ACOPLAMIENTO
Figura 3.23.
CIRCUITO DE CONMUTACiÓN
TENSiÓN DE CONMUTACiÓN
Diagrama en bloques de un relé de estado sólido
La estructura del SSR está constituida por: 1. Circuito de entrada o de mando: El mando puede ser por tensión continua o tensión alterna. Para tensión continua, con algún diodo en antiparalelo para evitar daños por inversión de la polaridad. compatibles con TIL, CMOS y otros valores normalizados: 12V, 24V, 48V, etc. Para tensión de comando polarizar al fotodiodo.
2.
alterna,
se coloca un puente rectifica
r y una fuente
la entrada es por fotodiodo, Los niveles de entrada son
de corriente
continua
para
Acoplamiento:
El acoplamiento con el circuito se realiza por medio de encuentre acoplado magnéticamente con el circuito de OlS;JCjD
- medio de un transformador
que se
;O-e
AUTOMATIZACIÓN
3.
lABORATORIO
INOU
3. Dispositivos de Control
68
BéL:.. -.
Circuito de conmuta·
I
El circuito de salida contie e los excitador. El circuito dependerá si se
~.
- -.- lOS semiconductores de potencia con su correspondiente circuito ._-e¡e conmutar AC o DC
Un SSR contiene uno o más indicadores de la activación y funcionamiento. Po_ seen aislamiento óptico media >-eun fototransistor o fotodiodo, que permite acoplar el circuito de control con el dispositivo de conmutación. El dispositivo de conmutación es típicamente un MOSFET o un TRIAC. Los relés de estado sólido no siempre pueden utilizarse de la misma manera que un relé electromecánico (EMR: E1ectro-Magnetic Re/ay), en aplicaciones como: • Cargas muy indudivas como los transformadores y bobinas de choques. Estas cargas pueden crear corrientes altas y sobretensiones que pueden afectar al relé; las tensiones muy altas se asocian a los transformadores, ya que estos tienden a saturarse. • Las cargas dinámicas como motores y solenoides debido a las altas corrientes y desfases entre voL taje y corriente en estos dispositivos. • Las lámparas con filamento de tungsteno que presentan también momento del encendido, mientras se alcanza la temperatura de trabajo.
corrientes
muy altas en el
R "I../V\¡
Figura 3.24. Esquemabásicode un SSR
Un esquema básico de un SSR se muestra en la Figura 3.24. Ventajas de los Relés de estado Sólido: • No poseen partes móviles y por tanto no existe desgaste, además de ser silenciosos. • No se ven afectados por los rebotes o arcos en los contactos. • Funcionanprácticamente sin ningún ruido. • Las interferencias electromagnéticas son muy bajas, ofreciendo así una conmutación eficiente, para toda carga. • Poseenun gran aislamiento entre la entrada y la salida, aspecto importante cuando se quiere proteger equipos conectados al relé. • Puedenser activados por una corriente de entrada muy baja. • Pueden soportar frecuencias de conmutación elevada. • Puedensoportar ambientes extremos (polvo, humedad, combustible) • Puedentrabajar en ambientes explosivos, ya que no general arco ni chispa • Son rápidos • No requieren mantenimiento
AUTOMATIZACIÓN IN DUSTRIAl.; 3. Dispositivos de Control El' "
-
RATORIO
69
Desventajas de los SSR: • La salida se daña por sobrevoltcje s:::::~cc:neI1tles • La salida opera con niveles de o· ~e "E:>'"..e educidos (comparados obviamente con los EMR) • La resistencia en conducción es m ~ I:;-a e que los contactos del relé EMR. • La capacitancia parásita de salida es
Jr
Usos industriales: Tienen amplia gama de aplicaciones a nivel industrial tales como: • • • •
Aparatos de control Arrancadores progresivos Autómatas programables Avisadores en alarmas
• • • • •
Barreras de seguridad Fuentes de alimentación, transformadores, Pequeños Motores Sistemas de alimentación interrumpida Sistemas de seguridad
estabilizadores
Una aplicación del relé de estado sólido es en la construcción del controlador lógico programable (PLC) para utilizarlo en las salidas del equipo. Dadas sus características y alta inmunidad al ruido, el relé de estado sólido resulta adecuado en estas aplica_ ciones, ya que los PLCs son equipos que deben trabajar en ambientes industriales muy agresivos, tanto desde el punto de vista eléctrico como ambiental.
Figura 3.25.
Foto de distintos
SSR. Imagen
copiada de: http://www.veto.c1/pdf/00301.pdf
Comercialmente también se dispone de dispositivos de estado sólido que pueden manejar tensiones y corrientes altas; estos son los contactores de estado sólido. El funcionamiento y estructura de estos contactores es semejante al de los SSR, con la diferencia que los contactores tienen mayor ca aci ad de corrientes y tensiones. Pueden reemplazar a sus contraparte ele ec.á ¡ca, claro está, hasta ciertos límites de corriente.
AUTOMATIZACIÓN IN
3. Dispositivos
70
de Con
Originalmente los ciales, pero actual excelentes caracterí ." • • • • • •
<:>
-
(:::_'=
semiconductores fueron utilizados en naves espa_ para aplicaciones en la industria. Algunas de sus stan con las de los contactores electromecánicos) son:
Casi ilimitada -da Alta capacidad de ~ -_JOS Tiempos de conm r _. --íT?-apertura) Ningún ruido de con€XJ(}fI Resistente a las vibra - es lpes Alta fiabilidad de ea
Figura
3.26.
Foto de contadores
menores que lOms
de estados sólido de KLOCKNER MOELLER
En la foto de la figura 3.26 se muestran tres contactores de estado sólido del fabricante KLOCKNER MOELLER; el de la izquierda es trifásico y el del centro es de una fase. Pue_ den manejar cargas hasta de 50A @ 500V, Los contactores de estos fabricantes cum_ plen con las normas EN 69 947-4-2 y, por sus características de rápidos, silenciosos y seguros, se pueden utilizar en campos como: procesos de automatización, control de temperatura, equipos de electromedicina, aplicaciones en naves aéreas, iluminación, etc. Dada su construcción y hermetismo del circuito electrónico, son adecuados en aplica_ ciones en la industria química (ambientes altamente contaminados). Para aplicaciones con cargas resistivas son una excelente alternativa; estas aplicaciones:
ejemplos de
* Equipos de calefacción y refrigeración
*
Controles de luminarias
* Equipos de señalización
* *
Hornos En fotocopiadoras.
Inyectores, vulcanizadotas.
Para todas estas aplicaciones, debido a la naturaleza de las cargas (cargas resistivas), muchas de ellas generan corrientes de gran intensidad; por ejemplo, en el encendido de las luminarias, las altas corrientes que generan reducen su periodo de vida. Los contactores electrónicos son dispositivos de conexión con cruce por cero, es decir, al estar co ectados a cargas resistivas, las señales de tensión y corriente no están desfasadas, r lo tanto, cuando se da la señal de apagado del contactar, no permite el paso e "ente ni tensión cuando las señales pasan por cero.
-----~
71
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 3. Dispositivos de Control Eléctrico
La conmutación de estos contadores se hace mediante dispositivos de estado sólido, por ejemplo, SCRs (redificadores controlados de silicio), TRIACs O MOSFETs y en las últimas unidades se han utilizado conmutación con IGBT (transistores bipolares con puerta aiSlada); las salidas del contactor están aisladas galvánicamente con opto-acopladores. Esta construcción elimina arcos, quemaduras, fallas en contactos y, obviamente, el ruido. En cuanto a las cargas inductivas, como los motores, la categoría de empleo AC53 de los contactores de estado sólido es equivalente a la categoría AC3 de los contactores electromecánicos. Para cualquier motor de O.55KW a 7.5KW y tensiones de acciona_ miento desde lOV hasta 30VDC o 90VAC hasta 240VAC, estos contactores son óptimos; también se utilizan para la inversión de giro de motores con potencias desde O.55KW hasta 2.2KW. El estado del contactor puede leerse mediante un LED o dos LEDs para indicar el sentido de giro. Para las sobre-intensidades que se presentan por manejo de cargas inductivas, los contactores de estado sólido están protegidos con una red Re y varistor. Algunas aplicaciones de los contactores de estado sólido con cargas inductivas: • Máquinas textiles • Prensas • • • •
Escaleras eléctricas y ascensores Equipos de purificación Máquinas de llenado Motores de corriente continua para control de posicionamiento
3.2.6.
y transporte.
Temporizadores
Un temporizador es un aparato mediante el cual se puede regular la conexión o desconexión de un circuito eléctrico, luego de transcurrir un tiempo previa mente programado. El temporizador es un tipo de relé auxiliar, con la diferencia que los contactos del temporizador no cambian de posición instantáneamente. En diversas operaciones y procesos industriales, se deben retardar ciertas acciones de una duración bien definida. Estos eventos están mandados por el cierre o apertura de un contacto, entonces se utilizan para la temporización los re/és temporizados. La precisión de los retardos tiene una gran influencia sobre la calidad de los productos obtenidos; por ejemplo, en soldadura eléctrica, la calidad de cada punto de soldadura depende de la exacta duración del paso de corriente. Los temporizadores se pueden clasificar de acuerdo a como se energiza en: térmicos, neumáticos, electrónicos. De acuerdo a la forma de temporizar, pueden trabajar a la conexión o a la desconexión y algunos especiales tienen las dos formas de trabajo, conexión-desconexión.
~.
AUTOMATIZACIÓN
BORATORIO
INDU
72
3. Dispositivos de Control
Temporízador a la co
é cuyo contacto de salida conmuta después de un cierto bobina Al-A2 a la red. El tiempo de retardo es ajustado crónico. También se puede regular mediante un potenció_ ncia.
retardo a partir del instan e . con un potenciómetro o reg;:::~metro remoto permitiendo el - le
Temporízador a la descone
"ó. .
aplicar la tensión de alimenta" conectado durante el tiempo prog
relé cuyo contacto de salida conecta instantáneamente
=s
al
2 - bobina. Al desenergizar la bobina, el contacto permanece
c. e ,luego, el contacto vuelve al estado inicial.
BOBHIA'-
EXCITADA -NO EXCITADA
CONTACTOS(
l
I.
, ,
:
: 0=====
REPOSO
BOBINA {EXCITADA NO EXCITADA
CONTACTOS
----¡
~
TRABAJO
ta
(A)
---?-o-
=rJ
REPOSO ~ {TRABAJO
r
;------
_. ~------
+-t~
(B)
BOBINA {EXCITADA NO EXCITADA ~
CONTACTOS{
T::~:
,
_
I
!
I__
~..-
Figura
3.27.
t
~~C
-+ ..-t~
(c)
Diagrama que muestra el funcionamiento de los temporizadores (A) Temporizador a la conexión B) A la desconexión (C) Temporizador a la conexión-desconexión
La figura 3.27 ilustra los diagramas de tiempo de tres temporizadores: La figura (A) corresponde a la operación del temporizador a la conexión; cuando la bobina se energiza, se inicia la temporización y luego de transcurrir el tiempo programado ta, los contac_ tos cambian y se mantienen en ese estado mientras la bobina esté energizada. Al esenergizarla, los contactos vuelven al estado de reposo. La Figura (B) representa el funcionamiento del temporizador a la desconexión; en el instante que se energiza la bobina, todos los contactos cambian y se mantienen en ese estado mientras la bobina esté energizada. Cuando se desenergiza, los contactos se mantie_ nen accionados y se inicia el tiempo programado tí, al transcurrir ese tiempo, los contactos vuelven al estado de reposo. La Figura 3.27(C) muestra el funcionamiento del temporízador a /a conexión desconexión; como se observa, resulta de la combinación de los dos temporizadores anteriores.
AUTOMATIZACIÓN
3.
r
INDUSTRlAL:
-
73
RATORIO
Dispositivos de Control El' . .
Figura
3.28.
Fotos de diferentes tipos de temporizadores. Tomado de: http://es.rs-online.com/web/search/searchBrowseAction.html
De acuerdo a la forma de energizar al temporizador, se puede disponer de: Temporizadores térmicos. Actúan por calentamiento de una lámina bimetálica; el tiempo viene determinado por el curvado de la lámina. Tiene un transformador cuyo primario se conecta a la red y el secundario, que tiene pocas espiras y está conectado en serie con la lámina bimetálica, siempre tiene que estar en corto circuito para producir el calentamiento de dicha lámina, por lo que cuando realiza la temporización, se tiene que desconectar.el primario. Temporizadores neumáticos. El funcionamiento de este temporizador está basado en la acción de un fuelle que se comprime al ser accionado por el electroimán del relé. Al tender el fuelle a ocupar su posición de reposo, lo hace lentamente, ya que el aire ha de entrar por un pequeño orificio, que al variar de tamaño cambia el tiempo de recuperación del fuelle y, por tanto, la temporización. Temporizador electrónico: condensador
El principio básico de este tipo de temporización es la carga o descarga de un a través de una resistencia. Los condensadores son electrolíticos con resistencia de aislamiento
mayor que la resistencia de descarga.
Temporizadores para arranque estrella-triángulo: Es un temporizador dispuesto a gobernar la opera_ ción de arranque estrella-triángulo de los motores trifásicos. Al aplicar la tensión de alimentación, los contactos del temporizador permiten la disposición estrella del motor durante un tiempo regulable (teóricamente el tiempo que tarda el motor en alcanzar el 75% de su velocidad nominal) al cabo del cual se abren sus contactos; ahora el motor queda con la conexión triángulo. La figura 3.29 presenta los símbolos eléctricos de los temporizadores a la conexión y desconexión. Posteriormente¡ en los siguientes capítulos¡ a estos temporizadores se les asigna otros nombres equivalentes¡ así¡ al temporizador a la conexión se identificará como TON y al temporizador a la desconexión se identificará como TOF.
TEMPORIZADOR
AL TRABAJO o A LA CONEXIÓN CON CUATRO CONTACTOS ABIERTOS INSTANTÁNEOS Y UN CONTACTO ABIERTO Y OTRO CERRADO TEMPORIZADO
CON UN CONTACTO CONMUTADO TEMPORIZADO (CONEXIÓN-DESCONEXIÓN)
Figura 3.29.
Esquemas de los temporizadores
a le
- ---'- : :::.=;:::
su simbología eléctrica
-=-.
AUTO MATIZACIÓN
3. Dispositivos
RATORIO
INDU
74
de Con
REPOSO CON CO T:' TEMPORIZ."..J
CON CUATRO CONTACTOS ABIERTOS INSTANTÁNEOS Y UN PAR ABIERTO-CERRADO TEMPORIZADO
"""~=~---
PROGRAMADOR
O A LA DESCONEXIÓN
TEMPORIZADO A1.-A2
17-18 27-28 37-38 Figura 3.29.
(Cont) Esquemas de los temporizadores
a la conexión y desconexión y su simbología eléctrica
Algunas especificaciones de temporizadores dadas por fabricantes: • • •
Total ajuste de los intervalos de tiempo 24 a 240V ACfDC, SO/60Hz DIN436S0
• • • • • •
LEDs indicador de operación Botón de prueba (Test') Temporizador ajustable desde O a 30s, O a 4Smin Temperatura -10°C a +SooC Corriente a vacío lOA Consumo 4mA
3.2.7.
Contadores
Los contadores son también aparatos utilizados aplicaciones de procesos industriales, por ejemplo: conteo de una banda transportadora, número de productos empacados, se repite una secuencia para completar un lote de producción,
frecuentemente en las productos al pasar por número de veces que etc.
Pueden ser electromecánicos, cuando están construidos en forma semejante a los relés o electrónicos cuando se construye basado en dispositivos de estado sólido. En la figura 3.30 se muestran fotos de contadores industriales de los fabricantes Kübler, OMROM, y esquemas de aplicaciones utilizando contadores.
HENSGTLER,
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: 3. Dispositivos de Control El' . .
75
TORlO
Figura
3.30. Fotos de contadores electrónicos digitales OMRON, HENSGTLER y KObler utilizados en la industria. Se muestran esquemas de aplicaciones utilizando contadores. Las imágenes son tomadas de: http://www.kuebler.com/spain/index.html
\
3.2.8.
Detectores de Proximidad
Son dispositivos que detectan la presencia de objetos de diferente natu_ raleza. Al hacer la detección actúan los contactos que poseen, accionando las cargas que teflgan conectadas. Generalmente estos dispositivos son electrónicos y depen_ diendo del material a detectar así mismo es la construcción del detector. A continua_ ción se describen algunos de esos detectores. La figura 3.31 muestra fotos de diferen_ tes detectores. ~". "Ó·.Detectoresde proximidad inductivos. Son interruptores electrónicos de características estáticas sin elementos electromecánicos. Su funcionamiento se basa en un circuito resonante Le e c' eruencial que deja de oscilar ante la presencia de un objeto metálico. El circuito inductivo se encuentra abierto por la cara sensible del detector, cerrándose sus líneas de cam - aire. La proximidad de un objeto metálico produce variaciones en el circuito oscila :-c','Ot!:::cn la amortiguación y cese de las oscilaciones.
í
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
76
3. Dispositivos de Control Eléctrico
Figura 3.31. Fotos de distintos detectores de proximidad. Tomado de: http://www.ifm-electronic.com/ifmar/web/pmainl!l_lO.html
Estas variaciones proporcionan en el circuito de salida del detector, la correspondiente señal para controlar las cargas conectadas a sus contactos. La figura 3.32 muestra el diagrama de bloques de uno . de estos detectores.
1ª~~H#HJrH~~ ~ro
Campo del sensor
Figura 3.32.
Osciladcr Demcx:JuladorDisparador Amplificador de salida
Diagrama en bloques de un detector de proximidad inductivo
Existen diferentes tipos siendo los más importantes: • • •
Corriente continua a dos hilos Corriente continua a tres hilos Corriente alterna a dos hilos.
Los detectores de proximidad inductivos Namur (norma de la comunidad de trabajo para la medida y regulación en la industria química) con salida a dos hilos, actúan como una impedancia variable, modificando su consumo de corriente al acercarse un metal a la cara sensible. Está formado por un detector y un amplificador. En los detectores de proximidad inductivos De a 2 hilos, su alimentación se realiza por dos hilos intercambiándose la carga a controlar en serie con uno de ellos. Por esta razón, existe una intensidad residual o corriente de fuga cuando el detector está desactivado y una tensión residual cuando está activado; la tensión residual cuando está activo puede variar entre 7V a 80V y la corriente residual cuando está desactivo es de 1.5mA máximo. Estos detectores se pueden conectar en serie o paralelo; al conectarlos en serie, hasta que todos los detectores sensen objeto, la carga no se activa, mientras que al conectarlos en paralelo, cualquiera de los detectores que sense objeto, activará la carga conectada en sus contactos.
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO Dispositivos de Control Eléctrico
AUTOMATIZACIÓN
3.
77
Los detectores de proximIdad inductivos DC de tres hilos constan del circuito oscilador acoplado en el propio detector, con un circuito de disparo y una etapa amplificadora con salida digital. El detector tiene dos hilos de alimentación y un hilo para la transmisión de la señal de salida. El detector está internamente protegido contra corto circuito y error de conexión. La salida puede ser negativa (transistor NPN) o positiva (transistor PNP); también se pueden conectar en serie o paralelo. En el funcionamiento de los detectores, se debe tener en cuenta que al activarse, cada detector produce una caída de lV aproximadamente, así que al conectarlos en serie, se suma la caída individual de cada detector. Los detectores de proximidad inductivos de dos hilos AC constan del circuito oscilador acoplado en el propio dispositivo, con un circuito de disparo y una etapa de potencia en AC con salida por tiristor. La salida se realiza por dos hilos intercambiándose la carga en serie con uno de ellos. La salida puede ser NO (normalmente abierta) o NC (normalmente cerrada). Cuando la salida está activada, existe una tensión residual de 8V máxima a través del detector; la intensidad residual que circula por la carga cuando el detector está activo es de 2.5mA máximo.
Detectores de proximidad capacitivos. Son interruptores electrónicos de características estáticas que actúan sin componentes mecanlcos, igual que en los detectores inductivos; los detectores capacitivos operan con un circuito resonante pero RC, ajustado a un punto crítico próximo al de oscilación, que se inicia al modificarse algunas de las constantes del circuito. Las líneas de campo eléctrico del condensador del circuito oscilante, cuyas placas forman parte de la cara sensible del detector, se cierran a través del aire. Al acercarse a este condensador un objeto con una constante dieléctrica superior a la del aire, se provoca una variación de su capacidad que ocasiona el desequilibrio del circuito y el inicio de las oscilaciones. Esta variación de la capacidad es función tanto de la constante dieléctrica como del volumen, densidad y compatibilidad del objeto o sustancia a detectar; así que los detectores llevan incorporados ajustes de sensibilidad para adaptarlos a cada uno de los elementos a detectar, de acuerdo a sus características. Existen dos tipos de campo de acción de los detectores: Tipo A: tienen alta concentración de campo, logrando una gran sensibilidad pero el alcance es muy limitado. Tipo B: con poca concentración de campo, sensibilidad baja y buen alcance.
Controles fotoeléctricos. Su funcionamiento se basa en el aprovechamiento del efecto producido por una radiación luminosa, emisor, al incidir sobre un elemento fotosensible, receptor, dando lugar a una circulación de corriente. La interrupción total o parcial de la citada radiación modifica la cantidad de corriente circulante, siendo estas variaciones las que, convenientemente amplificadas, permiten controlar el circuito de salida del amplificador. La emisión se efectúa por un diodo electroluminiscente (GaAsIRED) que emite una radiación invisible modulada, lo que garantiza una alta inmunidad a otras fuentes luminosas así como una vida práctica_ mente ilimitada. Su bajo consumo, nulo calentamiento y ausencia de filamento, garantiza una duración muy superior de este tipo de controles fotoeléctricos frente a los que utilizan lámparas de incandescencia.
Los detectores fotoeléctricos tienen diferentes sistemas de detección, como son:
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
78
3. Dispositivos de Control Eléctrico • De barrera: Emisor y receptor están contenidos en cabezalesseparados. Se utiliza, en general para alcances grandes, ambientes polvorientos o detección de objetos reflectantes. • Retro reflexión (Ref/eX): Emisor y receptor están contenidos en la misma caja reflejándose el haz de rayos en un reflector situado enfrente. Se utiliza para alcances medianos, siendo muy fácil su instalación. • Reflexión directa (Proximidad): Emisor y receptor están contenidos en la misma caja reflejándose el haz de rayos en el propio objeto a detectar. Se utilizan para alcances cortos.
El funcionamiento de los diferentes controles fotoeléctricos descritos con anterioridad puede ser con luz o en oscuridad. En el funcionamiento con luz, el detector se activa cuando el fotoeléctrico detecta ausencia de luz, teniendo en cuenta no superar la distancia máxima recomendada entre emisor y receptor. El área de detección o zona donde es posible la detección óptica de un objeto, será diferente según el método que se utilice: si se utilizan los sistemas de barrera y reflex, el objeto a detectar debe ocupar al menos el 90 % del área de detección para ser detectado. El área de detección en el sistema de barrera es la zona comprendida entre los extremos dé las lentes de cada cabezal. Si se utiliza el sistema de retro reflexión, el área de detección será la zona comprendida entre los extremos de las lentes y los extremos del reflector. En cambio en el sistema de reflexión directa, es la zona comprendida por el solape de los campos de emisión y recepción.
Tablade características y especificaciones detectoresfotoeléctricostomadadel manualdefabricante
10 a 40 VDC 84-718510* 84-718• 511*
2 a 10
PNP NO
M1S
200 (max)
25
2 a 10
NPN NO
M1S
2 a 10 :-----1---------1----..-.-----..-.-.-. 10 I
¡ : 20 a 265 I ! 2 !¡Cables: VAC ' VAC . 10 a 500
12-
¡cables VAC
10
2
a 10
J
,20 a 265 12""------1-----1-------'
I
528
¡cables:
VAC
. 10 a 500
I
530
I VDC
VDC
,
:
1
:
84-718-'
!
25
NO
sin polaridad
led indicador
M1S
Led indicador
M1S
'1'
1
200 (max)
NC sin polaridad
:
NOjNC -----
25
!
2 a 16
(1
.
i
! bl) I
(selecclonable) I
..
i
,
Led indicador
I M30
cortoCircUito. y
,
l. mala conexlon -; , M3~1 ---------------~-~ . 84-718-e;,:, -10'-:;;;-I~
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
79
3. Dispositivos de Control Eléctrico
3.2.9.
Presóstatos de Potencia
Son detectores construidos con semiconductores que sensan cambios de presión. Tienen infinidad de aplicaciones a nivel industrial. Pueden medir presiones de unidades de psi hasta cientos de psi (PSI: Pound Square Inches). Construidos para trabajar en medios no corrosivos y no iónicos como el aire y gases secos. Los presóstatos pueden tener varios rangos en la medida de presiones absolutas y diferenciales, desde o a lpsi hasta o a 150psi. Los sensores absolutos tienen una refe_ rencia interna al vacío y una salida proporcional a la presión absoluta. Los sensores diferenciales permiten la aplicación de presión en los dos lados del diafragma del detector.
FIGURA A
Eq"ivalen' Circuil
Note.: Poiari'y applie$ lor p:¡sjlive press'Jfe .ppl",d lO .he· high !""SSU'" po~. ;:>1.
Figura
3.33.
NPACI(AGE
FIGURA B
f)GFlOUND 2) +OUTI'UT 3) +VS 4) -0UTPUT
BI\SIC SENSOR PACKAGE
A la izquierda se tiene un circuito equivalente En el centro los diagramas de encapsulado y a la derecha fotos de algunos presóstatos
del presóstato,
Campos de aplicación en electromedicina, barómetros, controles industriales, etc.
Tabla característica de algunas especificaciones LINEALIDAD E HISTERESIS MAXIMA 3.6 9 PRESION 1.8 (mV¡psi) B A 1I 11 00.1 11 11 11 111 48 18 911111111111111111111 1111 SENSIBILIDAD 0.2 36 01psi 0-5 100 30 15 psi psi 0-200 150 30 60 20 150 psi psi IIDIFERENCIAL IIABSOLUTO 11 11 DIFERENCIAL 11 RANGO DE ±%FS
ICODIGOIGIFIGURAI
de presóstatos dadas por el fabricante
•
MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO de Control Eléctrico
80
·spositivos
.2.10.
Otros Dispositivos
Se tienen otros dispositivos que son utilizados en el ambiente industrial , que forman parte de procesos o de las plantas de producción. Algunos de estos mponentes son: Sirenas y pilotos de señalización: Forman parte de los sistemas de alarmas e indicadores, tan importantes en los procesos puesto que dan aviso a los operarios del funcionamiento o mal-funciona_ miento en un proceso. Algunas características dadas por fabricante de estos dispositivos: • • • • •
Sirena acústica de interior o exterior. Potencia acústica 85 dB. Alimentación 12 Vcc. Consumo 18 mA. Instalación básica 2 hilos.
• • •
Grado de protección IP54. Piloto estroboscópico para la señalización de alarma, mediante destellos Alimentación 12 Vcc
•
Grado de protección IP65
En la figura 3.34 se muestran fotos de estos dispositivos de señalización
3.34. Fotos de sirenas y pilotos de señalización. Tomadas de: http://WlNw.directindustry.es/fabricante-industrial/sirena-63071.html
Figura
Protecciones de personas
1 Figura
y equipos
2
3.35. Fotos de distintas protecciones para humanos y equipos. Los números en las fotos Corresponden a los números del texto. Tomadas de: http://wWIN.directindustry.es/fabricante-industrial/sirena-63071.html
4
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
3. Dispositivos
81
de Control Eléctrico
Módulo de seguridad (figura 3.35 1 a 4): Se dispone de distintos elementos de seguridad dentro de la planta, seguridad para el operario y para las máquinas por ejemplo: Control de resguardos, pulsadores a dos manos, alfombras, paros de emergencia. Para categorías de seguridad 1,3,4 según normas EN945-L
(1): Es una seguridad para el operario en aquellos procesos peligrosos para las manos de las personas. Este sistema asegura que en el arranque de una máquina se tengan que utilizar las dos manos simultáneamente, para accionar dos pulsadores que están en serie. Pulsadores a dos manos
(2):
Cortinas de seguridad Cortinas que aíslan las manos de los operarios de las máquinas. Se dispone de cortinas de 14mm que protegen los dedos, cortinas de 30mm que protegen las manos, cortinas de lOmm que protegen el cuerpo; Las alturas de las cortinas oscilan entre 200mm a 1800mm. Bajo la norma EN954-1 Barreras de seguridad separación o aislamiento:
(3):
que separan ñsicamente zonas muy peligrosas para los seres humanos. Zonas de 4m hasta 15m. Categoría de seguridad 2 y norma EN 954-L
(4):
Scanner láser de seguridad para zonas altamente peligrosas aislamiento tiene una resolución de 50mm a 4m, bajo la norma EN954- L
para los seres humanos.
El área de
Ejercicio 3.2 1. Consultar
especificaciones de presóstatos de muy baja presión.
2. Consulte especificaciones 3. Identifique para cada una
de SSR. de las fotos de la figura 3.31, el tipo de detector que corresponda
4.
Suponer algún proceso industrial en donde tiene diferentes máquinas, por ejemplo, bandas transportadoras, máquinas de corte, perforación, etc., sistemas de alarmas y protecciones (invente algún proceso de fabricación). Desarrolle un diagrama en bloques de su proceso en donde coloque la mayor cantidad de dispositivos mencionados en el capítulo. Explique con detalle su proceso. Fin
.3.3.
ejercicio
3.2
Simbología Eléctrica
Cuando se lleva a cabo un diseño, el circuito final se debe registrar en un plano. Este plano debe poder ser interpretado por cualquier experto y perfectamente, al disponer del plano, se puede reproducir en la práctica. Esto implica que la simbolo_ gía de ese plano tiene que ser universal. Todos los componentes mencionados en el capítulo y otros más, tienen su representación mediante símbolos universales. Se consideran dos simbologías estandarizadas: la Norma Amerícana y la Norma Europea. En programas de software como AUTOMATION STUDY, permite trabajar con las dos noc mas: JIC Standard (JIC: Joínt Industrial Councíly) la lEC Standard (lEC: Internatíonal Electrotech_' nícal Comíssíon). En adelante, la norma que se utilizará para los circuito eléctricos es la norma lEC, mientras que para los díagramas ladder, se utilizará la norma americana o JIC.
Los símbolos utilizados son los que se presentan en las siguientes figuras.
+
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TEORÍA
Y LABORATORIO
Dispositivos de Control Eléctrico
Accionamientos y Mandos Eléctricos
." TERl\1JCO CAPACITIVO
lM.TlCO ORNO XION
7t.+
J........ 0-...... 0.......... l-l) F1m L!ttJ
Ul FLOTADOR VI WI RETORNO LLAVE AUfOMATICO Aurm'IATICO PULSADOR TERM:OI\'L<\GNETICO TERl\1JCO .....'V" TEMPORlZADOR PARA POR PARO RELE SELECTOR AL AL TRABAJO REPOSO PED.>\L INDUCTIVO LIBERADO POR WI .;L RITENIDO DETECTOR POR ........ ... J:e;,.... MECANICO IIIIECANlCO I NO TThIl' ORIZAD OR ELECTRO DETECTOR VAL VULA TEMPORlZADOS f.... ·.. ·.. ENGANCHE ROTATIVO RETORNO AL REPOSO Ul VI ELECTROMCO TEMPORlZADOR U2 V2 DE W2EMERGENCIA E .... BOTON · •......... .. ENGANCHE ",RELE POD~~~~~R P~~ON
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-=:J ~ r$J
TIR1IofiCO ~~*-
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® ~ ~
PILOTO SELECTOR ROTAmTO NC LUMINOSO ROTATlVODE SELECTOR SELECTOR 32 ROTAm'ODE POSICIONES NA PILOTO ENCLAVADO TIl\mRE E INTERIvITrENTE CONEXION PULSADOR DE4 POSICIONES I 2 SIRENA BOCINA NA j PULSADOR 102 PULSADOR PULSADOR >j t··..../ 1~34\1 ENC~\.ADD F-..,.j..:: ...... ~ E"~""'(' F--\, ......
~
~ ~E-v(
LL J
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SECCIONADOR PRINCIPAL GUARDAMOTOR SECCIONADOR DISYUNfOR 11
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82
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 3. Dispositivos de Control Eléctrico
83
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unON
mCLA VAl\UENIO MECANICO
I\IECA!",>¡lL .•.
INST.NA
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4 \: RETARDADO ALA APER11JRA
KlVI .....
F..
CONTACTOR PRINCIPAL
ELEl\>IENTOS DEPROTECCION FUSffiLES RELETERI\UCO
RST Ll L2 L3
RETARDADO AL CIERRE
KA ....
Q
.
(1 ADELANTADO A LA APER11JRA.
CONTACTOR AUXILL'lli
APARATOS DE CONEcrON MECANICA PARA CIRCUITO ... DEPOTENCIA DIS"l:1JNTOR SECCIONADOR
CONDUCTOR DEPOTENCL.o\
CONDUCTOR DEl\IANDO
\1 ADELANTADO AL CIERRE
APARATOSDECONEcrON lHECANICA PARA CIRCUITOS DEMANDO (pULSADORES SELECTO RES INTERRUPTORES DEPOSICION
DISPOSITIVOS
H..... DE SENALIZA.CION PILOTOS SIRENAS
N NEUTRO
FASES
Ejercicio 3.3 Los símbolos mostrados a continuación, son tomados del programa de simulación AUTOMA710N STUDY. Los símbolos del 1 al 43 corresponden a la norma Europea lEC y los símbolos de 44 al 81 corresponden a la norma Americana J15. (Las dos normas comparten los símbolos del 39 al 43)
AUTO MATIZACIÓN
3.
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Dispositivos de Control Eléctrico
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--®-56
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO
85
3. Dispositivos de Control Eléctrico Los símbolos representan números correspondientes
una función. del símbolo:
De acuerdo a la función anotada a continuación
coloque los
Interruptor multiposicional ( ), Interruptor NA ( ) (), Interruptor de nivel NA ( ) ( ), Pulsador NA ( ) ( ), Interruptor de proximidad NC ( ) ( ), Contacto temporizado a la conexión/desconexión NA ( ) ( ), Interruptor térmico NC ( ) ( ), Relé ( ) ( ), Temporizador a la conexión ( ) ( ), Relé desenclavado ( ) ( ), Contacto temporizado a la desconexión NC ( ) ( ), Contacto de flanco ascendente/descendente ( ) ( ), Relé intermitente ( ) ( ), Fusible ( ), Interruptor de dos posiciones ( ) ( ), Interruptor de posición mecánica NA ( ) ( ), Contacto auxiliar de pulsador NA ( ) ( ), Contacto temporizado a la conexión NC ( ) ( ), Contacto de flanco descendente ( ) ( ), Contacto NC ( ) ( ), Interruptor de tres posiciones ( ) ( ), Interruptor de proximidad NA ( ) ( ), Contacto temporizado a la conexión NA ( ) ( ), Interruptor térmico NA ( ) ( ), Interruptor de presión NA ( ) ( ), Pulsador NC ( ) ( ),Contacto de flanco ascendente ( ) ( ), Temporizador a la desconexión ( ) ( ), Relé enclavado ( ) ( ), Contacto NA ( ) ( ), Indicador luminoso ( ) ( ), Contacto auxiliar de pulsador NC ( ) ( ), Interruptor de presión NC ( ) ( ), Solenoide ( ) ( ), Contacto temporizado a la desconexión NA ( ) ( ), Relé térmico de sobrecarga ( ) ( ), Contacto temporizado a la conexión/desconexión NC ( ) ( ), Interruptor de posición mecánico NC ( ) ( ), Interruptor NC ( ) ( ), Interruptor de nivel NC ( ) ( ), Referencia ( ) ( ), Alimentación ( ). Fin ejercicio
3.4.
.P"
3.3
Diagramas para el Control Eléctrico
Para entender el funcionamiento de una planta, de sus circuitos involucra_ dos, es necesario recurrir a los diagramas eléctricos; de esta forma, cualquier espe_ cialista puede analizar en el papel, lo que sucede en el montaje real. Un esquema claro, utilizando la simbología adecuada facilita el estudio de una planta, por esto es necesario estudiar los diferentes diagramas que se dispone en el campo eléctrico. Los diagramas más conocidos son: diagrama esquemático, diagrama eléctrL ea, diagrama /adder, diagrama de alambrado, diagrama en bloques, diagrama pictórL ea, diagrama caza-fallas (troub/eshootíng) y diagrama de circuito impreso. A continua_ ción se mencionan dos de ellos.
3.4.1.
Diagrama Esquemático
Un diagrama esquemático es una representación ordenada de los compo_ nentes y conexiones de un circuito eléctrico o electrónico, como se muestra en el circuito de la figura 3.36. Con el diagrama esquemático se tiene el primer paso en el diseño y el medio útil para analizar el funcionamiento del circuito y detectar fallas. En el diagrama esquemático no se tiene la posición real de los componentes del circuito. El diagrama de la figura 3.37 es el diagrama esquemático de un circuito eléctrL ea. Para este diagrama se utiliza la simbología de la norma lEC.
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3.
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TEORÍA Y LABORATORIO
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1
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Pl
Figura 3.36.
Diagrama esquemático
electrónico
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..•.
N
R
Figura 3.37.
Diagrama esquemático eléctrico
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
87
3. Dispositivos de Control Eléctrico
3.4.2.
Diagrama El diagrama
LADDER
o «escalera» es el más utilizado para dibujar circui_ tos de control eléctricos, no electrónicos. Se da el nombre de escalera, por que en este diagrama se desarrolla el funcionamiento del circuito en forma secuencial iniciando en la parte superior y finalizando, generalmente, en la parte inferior. LADDER
La figura 3.38 ilustra un diagrama /adder eléctrico utilizando norma JIS y el mismo circuito con diagrama /adder de contactos. Algunas normas se deben seguir al dibujar los diagramas escalera (ver figura 3.38): • Todas las bobinas, pilotos y salidas, en general, se dibujan al lado derecho. • Todas las entradas tales como pulsadores, sensores, interruptores, contactos de los relés y contactores, etc., se dibujan al lado izquierdo del diagrama. • En los diagramas escalera utilizados en los Controladores Lógicos PLC, se dibujan las entradas del circuito como contactos abiertos o cerrados, según corresponda, sin distinguir si se trata de un sensor, pulsador, interruptor, etc. Esta distinción de los contactos se hace en el diagrama esquemático eléctrico. A este diagrama escalera se le conoce como diagrama escalera de contactos. • No es permitido dibujar dos o más cargas en una línea; la línea que tenga carga solo debe contener una sola. Toda línea debe termina en una carga • Una misma carga no se puede colocar más de una vez en el circuito
Observar en el diagrama de contactos, que es indiferente el tipo de sensor o acciona_ miento que se utilice, es simplemente un contacto abierto o cerrado.
Ll
L2 S\'Vl
1 2
S,,"'11 ___
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CRl
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CR2
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CRI-317 LS~ Iscr¡-19 CR2-2
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CRl-2 6.
CR4
6
CRl
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CR2.} CR3
~~~~
"tr
CR1·l 5,7
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SW4
Diagrama LADDER utilizando norma J15: Eléctrico (izquierda), de contactos (derecha)
111-- -----tI LSl
CR3-1
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
88
3. Dispositivos de Control Eléctrico
3.5.
Conclusiones
Se han presentado en forma muy resumida algunos de los dispositivos, elementos y equipos que forman parte de muchos de los procesos industriales, y que están inmersos en las plantas de manufactura. Son dispositivos de accionamiento manual, mecánico, eléctrico, electrónico; dispositL vos cuyas funciones son muy variadas, tales como órdenes dadas por operarios, señales entregadas automáticamente al iniciar o finalizar un proceso, órdenes de controlo información para supervisión; señales de alarmas, de avisos, en fin, todo lo necesario para mantener los procesos bajo el control y supervisión y, de esa manera, proteger a los operarios dentro de la planta, proteger la maquinaria y asegurar que los productos finales cumplan con todas las especificaciones y controles que le ase_ guren la calidad para llegar al consumidor final. En la parte final del capítulo, se fijó la simbología necesaria para identificar los dispositivos que van a formar parte de los planos y diagramas. Esta simbología asegura que cualquier ingeniero y técnico interprete, sin confusión, los planos que representan los procesos. Es una simbología estandarizada y universal, basada en las dos normas más utilizadas: la americana y la europea.
Ejercicio 3.4 1. Dé ejemplos de los diagramas: alambrado, diagrama en bloques, diagrama pictórico, diagrama caza fallas (troub/eshootíng), diagrama de circuito impreso. 2. 3.
Escribir 20 palabras claves del capítulo y anotar su significado. De acuerdo a la lectura del capítulo, escriba los objetivos que crea, se cumplieron.
4. Si tiene tres sensores, uno capacitivo, otro inductivo y un óptico,.¿cómo ¿A qué distancias ubica los objetos a detectar para cada uno de ellos?
los distingue físicamente?
5.
¿Qué detector utilizaría para sensar radiación electromagnética?
6.
Explique cómo funciona un sensor tipo efecto Hall. ¿En qué aplicaciones se puede utilizar?
radiación nuclear? luz ultravioleta?
7.
Si fuera a construir un temporizador a la desconexión utilizando dispositivos electrónicos, dibuje un plano de ese posible circuito. Efectúe la simulación.
8. Dibuje el diagrama esquemático electrónico de un relé de estado sólido si va a manejar cargas alimentadas con 220VAC. La carga es un motor universal. ¿cambiaría el circuito si la carga es no inductiva? .. 9. Explique cómo funciona cada uno de los cuatro esquemas que se tienen en la figura 3.30. ¿Qué realiza cada uno de ellos?
INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO Dispositivos de Control Eléctrico
AUTOMATIZACIÓN
3.
10.
89
Realice la consulta del tema: Solenoides. Desarrolle los siguientes puntos: - Funcionamiento del solenoide - Solenoides de corriente continua y de corriente alterna. - Aplicaciones de los solenoides.
11.
Efectúe consulta de los detectores conocidos como inteligentes.
12. diseñe un sensor de corriente que detecte corriente dentro del rango industrial: 4mA a 20mA.
13. Suponga que se está almacenando algún tipo de sustancia que es granulada. Se tiene que almacenar en frascos oscuros, de diferentes diámetros y de igual altura. La cantidad de sustancia en cada recipiente no se determina por peso sino por el nivel en el frasco. Qué detector utilizaría para efectuar el control de la medida? Sustente su respuesta. 14.
Para la situación anterior, los frascos tienen cuatro diámetros diferentes y un operario los coloca aleatoriamente en el extremo de una banda transportadora. En alguna parte del recorrido, los frascos se llenan con la sustancia y al llegar al otro extremo, un brazo robot los retira lIevándolos a cajas en donde se almacenan, pero se deben seleccionar de acuerdo al diámetro. Qué sensor o detector utilizaría para detectar el diámetro del frasco y así ordenar al robot lIevarlo a la caja correspondiente? Sustente su respuesta.
15. En una planta de almacenaje, se tienen cuatro tanques con capacidad de 50000 litros cada uno. Están a una altura de 50 metros del piso. En dos de ellos se almacena líquido no volátil, en el tercero se almacena líquido altamente explosivo y en el cuarto tanque se almacena líquido muy sensible a la luz. Los taques son metálicos no corrosivos. Se requiere monitorear el nivel de cada uno de ellos, la densidad de los líquidos y la humedad relativa del ambiente. Realice un diagrama pictórico de esta zona de almacenaje y sugiera los sensores que se deben utilizar para mantener bajo supervisión las tres variables: nivel, densidad y la humedad relativa. El líquido explosivo es altamente corrosivo, mientras que el líquido sensible a la luz es muy denso. Los tanques están sellados y para su mantenimiento, se debe asegurar que estén desocupados. Pero sólo uno de los cuatro puede estar desocupado cada vez. Proponga un método de mantenimiento que asegure que sólo uno de los tanques esté preparado para esta tarea. Una sala de operación se encuentra a 200m de la zona de tanques. La información de los sensores se debe llevar allí. Qué sugiere para llevar esta información? Elabore una lista de preguntas para hacer al ingeniero jefe de la planta y que son necesarias para el diseño del sistema de sensado y alarmas de las variables a monitorear.
16. En una línea de producción para partes de automóviles se fabrican tres piezas diferentes. Los materiales con que se fabrican son: las piezas de hierro, piezas de latón y piezas de teflón. En alguna parte de la línea, las piezas se colocan al inicio de una banda transportadora y al otro lado de la banda un brazo robot las selecciona para lIevarlas a puntos de almacenamiento diferentes. Explique qué sensores utilizaría para que el robot las seleccione correctamente. Adicionalmente, las piezas, pueden salir defectuosas, así que el robot debe seleccionar estas piezas y las almacena en un cubículo común indiferente de la pieza. Cómo sensa las piezas con imperfecciones? 17. Una planta posee cuatro compresores cada uno de 500bares. Ellos trabajan uno a la vez de mane_ ra que cuando su presión queda por debajo de un mínimo entra a operar el otro, y así con los otros. Los compresores son controlados por contactores. ¿Qué especificaciones deben tener esos contactores para comandar cada compresor? ¿Qué especificaciones deben tener los presóstatos que detectan la presión de cada compresor? ¿Será necesario colocar sensores de temperatura? ¿Porqué? Fin ejercicio
3.4
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
90
4. Automatismos de Control Eléctrico 4.1.
Introducción
La creciente complejidad de los procesos y la disponibilidad de controla_ dores más potentes, con mayor número y más sofisticadas funciones, obligan a revL sar y replantear los métodos de diseño de los sistemas de control eléctrico. Los inmensos armarios con automatismos a base de relés, han sido reemplazados, en su mayoría, por los controladores lógicos programables o PLCs; sin embargo, muchos siste_ mas eléctricos aún disponen de contactores y de dispositivos electromagnéticos con funciones especiales, como temporizadores y contadores. Por otro lado, en un mismo proceso, coexisten elementos de tipo eléctrico, neumá_ tico, hidráulico, electrónico, etc.; esto hace necesario utilizar herramientas de diseño que permitan una representación y tratamiento común a todos ellos, para poder hacer un estudio global del sistema de control y de planta. Entonces, en el diseño de los automatismos se distinguen distintos tipos de bloques, a saber: 1. Un componente o bloque del cual sólo de distinguen dos estados lógicos posibles. O y 1. Por ejem_ plo: un interruptor abierto o cerradot un motor en marcha o paradot una temperatura por arriba o por debajo de una referenciat etc. Se suele identificar el estado de un componente lógico con una variable lógica representada por un BIT que toma sólo dos valores posibles. 2. Un componente o bloque en el que interesa distinguir varios estados posibles que se representan por una variable numérica y cada estado viene representado por un grupo de bits.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
91
3. Los componentes análogos en los que se distinguen infinitos estados posibles. Muchos sistemas de control utilizan mecanismos con los que se truncan el valor de una variable análoga a un número determinado de decimales y, por tanto, se limitan a un número finito de estados. De esta forma, una variable análoga puede ser tratada con sistemas de control digital, mediante los conversores análogodigital.
4.2.
Modelo: Análisis y Síntesis
Se entiende como modelo cualquier tipo de representación de tipo mate_ mático o gráfico que permite deducir el comportamiento del sistema ante unas condi_ ciones de entrada determinadas. Así, por ejemplo, los esquemas de relés, diagramas lógicos y diagramas ladder son modelos gráficos de los sistemas que permiten predecir el comportamiento de los mismos. También, las funciones lógicas que relacionan las salidas con las entradas del sistema, constituyen un modelo matemático. La figura 4.1 muestra tres de los modelos más generalizados en el campo de la automatización y que se desarrollan con tecnología eléctrica y electrónica.
L KMl
K:,'h ~
¡o0):j Figura 4.1.
Modelos gráficos de los sistemas: Diagrama eléctrico (izquierda) Diagrama LADDER de contactos (centro) diagrama electrónico (derecha)
En la Figura 4.2 se representa una serie de componentes y algunas de las variables que son de interés. Como se observa, en algunos casos se trata de variables lógicas con dos estados O y 1, en otros, las variables son numéricas expresadas en sistemas de numeración decimal, binario, hexadecimal, etc. Por ejemplo, en el caso del nivel en un tanque, sólo puede interesar si está por arriba o por debajo de cierto nivel, o puede interesar el cambio del caudal del líquido mientras está llenando el tanque; para el primer caso la variable nivel se expresa con los estado lógicos 1 o O, mientras que en el segundo caso, el caudal se debe expresar mediante variables numéricas. Entonces, cuando se tiene un sistema y se requiere efectuar un diseño del mismo, independientemente de los componentes utilizados y de la tecnología implicada en él, se propone la siguiente metodología:
.~
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL; TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
COMPONE~"!TE
92
:VAR NU~ ..ÉRIC~_ ..
VAR LÓGICA
1
nt~,~A 1
1~I=5A .¡sp;"
~ ...._ ..._'! = O.lV
__
I
Al
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'A2 ffi'
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···_······_··--;-ñ··_······ ..···--_···__ ·
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_
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.................................
_
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1 = 5A V=O.lV -- •...-----
Ton xxxxx (V) (s) V = xxxx
·-----·-···-·····-·····-····r···· .-P2..~=~xxxxx(bar) ..... ~.._..1 A+
~ P2
M
¡
~- __
CONTENSIÓN TENSIÓN o1 BOBINA SIN
1
tfT.'-'·-··"'A~+ Pl!
!¡
CERRADO O ABIERTO •
_
_ .._......
.
..
Pl = xxxxx (bar)
__
_
-..
n = xxxx(rpm) Mr = xxxxx (m.Kg)
·1
-._._
_
.
T = xxxx °C ~ ~
~.".. " T °C x::.!.1
O TEMPERATURA < XOC TEMPERATURA:> XOC
1
O NIVEL < H NIVEL:> H
1
!I
I
O CAUDAL = O CAUDAL:> O
1
Figura 4.2.
Algunos componentes
NIVEL = xxxx (m)3
Q = xxx x ( m3./H) ......J¡;
H = xxxx (m)
y sus variables asociadas
1.
Dividir el sistema en bloques. Inicialmente estos bloques pueden ser muy globales, pero en la medida que se avanza en el diseño, los bloques se van dividiendo hasta llegar al nivel de los componentes.
2.
De cada bloque interesa sólo las magnitudes de entrada y salida.
3.
Cada magnitud de entrada y salida se representará por una variable y ellas pueden ser de tipo lógico o numérica según la propiedad que interese observar.
4.
Hallar, para cada bloque, la función que relaciona las variables de entrada y salida, es decir, definir su función de transferencia. Esta función de transferencia puede ser de tipo lógico, algebraico o numérico, según la naturaleza del bloque tratado.
5.
Dos bloques que presenten función de transferencia igual se consideran idénticos, independien_ temente de los componentes que lo formen o de la tecnología empleada en su implementación.
Una vez establecidos estos cinco principios, se emprende el estudio del sistema de control desde dos puntos de vista: el análisis y la síntesis. El análisis parte de un sistema ya construido y pretende deducir su comportamiento, determinar entradas y salidas y su función de transferencia. Para ello se siguen los siguientes pasos:
4
4 4
Identificar los componentes Conocer para cada uno su modelo de comportamiento (función de transferencia). Identificar las variables de entrada y variables de salida de acuerdo a la función transferencia.
sus
de
y LABORATORIO
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRlAL: TEO
93
4. Automatismos de Control
i'
La síntesis plantea el probl a ersa: se parte del comportamiento deseado del sistema y se pretende diseñar el sistema q 'e se e apte a ese comportamiento. El proceso para este desarrollo es:
4 4 4
Dar la especifica .. sistema, indicando las salidas deseadasante determinadas condiciones iniciales yenmc'as. Traducir dicha espedficadón a una función de transferencia global del sistema completo. Elegir componen'es que presenten funciones de transferencia conocidas.
4.3. Automatismos Combinatorios y Secuencia les Un sistema combinatorio (o combinacional), es un sistema de control que tiene p entradas: Ul(t), ..., Up(t) E Z y q salidas: Yl(t), ..., Yq(t) E Z, tales que, para todo t E ¡cada una de ellas es una función booleana de las entradas, es decir: yi(t) = fi(Ul(t),
Figura 4.3.
...
, up(t)),
i=
1 ...
q.
Bloque de un sistema combinacional
En los sistemas combinacionales se asume que los valores de salida en un instante determinado t, sólo dependen de los valores que en ese mismo instante tengan las entradas. Esta afirmación es cierta teóricamente, ya que físicamente, existen peque_ ños retardos entre aplicar las entradas y obtener la correspondiente salida. más sencillo son las funciones lógicas elementales. AND, OR, NOTf NAND, NOR y XOR. Combinando estas funciones, es posible realizar cuaL quier función lógica compleja. Otros sistemas combinacionales son: los codificadores, multiplexores y demutiplexores. Los sistemas combinacionales
Las funciones lógicas elementales se pueden construir físicamente mediante diferen_ tes tecnologías: eléctrica, neumática e hidráulica, electrónica; combinándolas, se pue_ den construir automatismos aplicados a nivel industrial. Sus tablas de verdad y símbolos de acuerdo a las normas DIN e ISO se muestran en la figura 4.4. Un sistema secuencia/ es un sistema de control q e"e e p entradas: Ul(t)f"" Up(t) E Z Y q ue además tiene otras n varia_ salidas: Yl(t)f"" Yq(t) E Z, (como en el combinacio al) e bles: Xl(t)f"" xn(t) E Z, cuyos valores depende { e al na manera{ del comportamien_ to del sistema en instantes anteriores t.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
XOR OR NANO NOR AND
11
1
11
T
O O
1
O
&
FUNCIÓN T VERDAD Sír •.•• BOLO DIN !I() v "-::: zJ) I Y '.(JyIIylz 1 (1) (1 (J O Y1" (1 O OOO '>&y 11I .: Y = 1 ~ o S; :1 ~ ?::
;'C
:rJ;
1tt~
94
SíMBOLO ISO
t[Y Xv
~ ,~
~
NOT ;l:
Figura
4.4.
Funciones lógicas elementales y simbología DIN-ISO
Se afirma que los sistemas secuenciales tienen memoria. Entonces, los sistemas secuencia les son sistemas con memoria porque tienen registros internos con capacL dad para almacenar las variables de estado. Un bloque del sistema se muestra en la figura 4.5.
.1'1
(t)
;"At)
3',,(t)
FigUf.,1,,5.
1,
Bloque de un sistema secuencial
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctri
95 .~
La Figura 4.6 muestra la estruct ra general de un sistema secuencial y que se conoce como estructura de Mealy.
SIS1EMA
~r----: i
~~
Figura 4.6.
••
•
•
____
COMBINAClONAL
o.
----
-Sn
Sl S2 Si
J
o
Estructura de un sistema secuencial:
Estructura de MEALY
Desde el punto de vista del modelo matemático, las funciones de transferencia de un sistema secuencial siguen siendo funciones lógicas pero contienen variables internas que memorizan el estado anterior, y lógicamente, las salidas van a depender de estas variables. Los nombres que se asignan a los operadores para memoria son SET (memoriza 1) y RESET (memoriza O). Cuando se refiere a la tabla de verdad, para un sistema combinatorio efectivamente se habla de su tabla de verdad, puesto que una salida para cualquier fila de la tabla, va a depender de las combinaciones de las entradas en esa fila, mientras que para un sistema secuencial se habla de una tabla de evolución de estados, puesto que cada fila depende de la anterior. Desde el punto de vista de tecnología, para construir un sistema secuencial se debe disponer de una célula básica de memoria; a esta célula se le denomina biestable y se construye con dispositivos lógicos combinacionales, conectados entre sí de manera que exista enclavamiento interno entre ellos. La Figura 4.7 muestra un cuadro con los distintos tipos de variables que intervienen en un sistema.
VARIABLES
rL
INDEPENDIENTES
DEPENDIENTES
Figura 4.7.
r -
L
ENTRADAS
SAUDAS INTERNAS
Variables que intervienen
[COMBINATORIAS DE ESTADO en un sistema
En un sistema en que se ha dividido en varios bloques, para efectos de diseño o análisis, el primer bloque a la entrada, contiene las variables de entrada y las varia_ bles de estado del sistema; el último bloque en la salida contiene las variables de
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
salida y las consideradas embargor si variables se bloque. Esta
96
variables internas. Para los bloques intermediosr todas las variables a sus entradas y salidas se consideran como variables internas. Sin se analiza independientemente uno de estos bloques intermediosr las consideran como variables de entrada y variables de salida de ese situación se il~stra en la figura 4.8.
Figura 4.8.
Sistema con bloques de entrada, salida y bloques intermedios
Las variables de entrada y salida son Eí, Sí, respectivamente y las variables de estado .AA y Yc Las otras variables: ZAr Zar >'Ar Yar Xa y Xc son variables internas. Pero si mira un bloquer por ejemplor el bloque Br ZA se convierte en la variable de entrada y Za en la variable de salida.
4.4.
Diseño de Automatismos Lógicos
Como se mencionó anteriormenter el término diseño es sinónimo de sínte_ sisr es decirr la obtención de un sistema físico que responda a unas ciertas especifica_ ciones y condiciones. Los sistemas combinacionales desarrolladosr tendrán como base el álgebra de Boo/e.
f
El proceso de síntesis empezará obteniendo una tabla de verdad que refleje la relación de cada salida con las entradasr de acuerdo con las especificaciones. Postei-iormenter se traduce cada una de estas tablas a las expresiones lógicasr se aplicarán las reglas de. minimización y finalmente, se implementarán las funciones lógicas mediante componentes cableados o programables.
f
¡
I~ I 1-
I
Ciertos dispositivos se construyen de forma que sólo tienen dos posibles estados de equilibrio los cuales, en cada caso, reciben nombres típicos que los identifican. En el siguiente cuadro se indican algunos de ellos junto con sus dos estados. Ttam:istor Válvula Interruptor I\'lecánico
,¡
SI,
!
corte no I eléctrico !; abierto cerw.do cerrada Dispositivo
I
abierta Estados saturación
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
.~"-
97
En un sistema de control, tanto las entradas como las salidas pueden tomar valores reales cualesquiera. En los automatismos digitales, cada una de las variables tiene dos valores fundamentales, denominados niveles lógicos o y 1, que implican estados de equilibrio para esos automatismos. Un dispositivo biestable muy común, es el interruptor de dos posiciones como el que se ilustra en la Figura 4.9.
2
Figura
2
4.9. Interruptor de dos posicionesde enclavamiento
Figura
4.10.
Esquemade un pulsador
En la izquierda de la figura 4.9, el interruptor está cerrado 1. Al accionarlo, como mues_ tra el diagrama de la derecha, los contactos se separan y el interruptor se abre o. Lo interesante en este ejemplo es que, el interruptor mantiene el último estado, aun_ que la acción se suspenda (se deje de accionar), así que este dispositivo representa un sistema con memoria. Otros dispositivos no tienen esta característica de memoria, por ejemplo, en los pulsa dores, como el que se muestra en la figura 4.10. Sin accionar el pulsador, los contactos 1-2 están abiertos o y al accionar, los contactos se cierran 1. Si se deja de presionar, los contactos vuelven al estado inicial, por efecto del muelle que contiene el dispositivo.
4.4.1.
Lógica Binaria
La solución de muchos de los problemas propuestos y la programación de los controladores PLCs, se basa en la aplicación del Álgebra de Bao/e, considerando que el funcionamiento de esos controles es ON/OFF. El Álgebra de Bao/e opera con dos varia_ bles: alto-bajo, O - 1. Por ejemplo, una válvula neumática está abierta o está cerrada, un pulsador está actuado o en reposo, etc. Considerando que cualquier dispositivo de entrada (interruptor, pulsador, sensor) es un contacto, se dispone entonces de dos posiciones del contacto: contacto abierto y contacto cerrado, como se muestra en la figura 4.11.
",""
98
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
CONTACTO ABIERTO
Figura 4.11.
CONTACTO CERRADO
Símbolo del contacto según norma ISO
Si un conjunto U en el que se han definido operaciones: suma lógica y producto lógico, tales que para todo a, b, c E U, satisfacen las siguientes propiedades:
1. Idernpotentes:
a. EB(l. = a .
2. COlllllutativas: 3. Asociativas:
a
ffi b
a 83 (b Ehc)
4. AbsOrciones: a (.:)(a
ffi
a ES (b C;;)e)
5. Distributivas:
(J.
=b
a·b=b(~)a
= (a EPb)
b)
=
=a
e c,
a
(?J
(b (~)e)
=
((1.
O b) ~) e
= ([EB (a c:) b) = a (a
6. Cotas universales: 3 O; 1 E U
$ b) (~) (o, e e): = 0, O
lOa
(J,
C)
(b(f) e)
=
(a. (?) b) 6 (a
a
=
a. 1
a
=
a; 1
a
C:)
e)
=1
7. COluplem(:mto: V'a E U 3a E U I a e a = 1, a (::)a = o Entonces se dice que U, ffi, 0, -, O/ constituyen el álgebra de Boo/e. Los símbolos ffi y a + de suma lógica (OR) y • del producto lógico (AND).
o son iguales
Basados en los axiomas anotados, combinando contactos abiertos y cerrados, se obtienen los resultados mostrados en la Figura 4.12.
-j
o
r---J
o
o
1- ~
1
-j I-------t-I1
1
~'j-----\/f--
o
A
o
A
A
A
A
o
1- -j I--i 1- ~ --l 1o o ~ ---j 1-j I--i+~ ---j 11 ~--l+-j I--i 1- 5>--l 1---j
A
A
---co-
1
~--l+A
~--llA
~ --l+-
t t
,
! ¡.
Figura 4.12.
Combinaciones de contactos
AUTOMATIZACIÓN
4. Automatismos
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO de Control Eléctri
99
Ejercicio 4.1 1.
Minimizar los siguientes circuitos utilizando álgebra de Boole: A. Ll
L2
r-c:~ p= B. L2
Ll A B
~
e RL
=
c. L2
A
A
~c.
RL
.
D
r-cB
"'~
B
=
2.
í 1
x
1 1 Of
y(z: () O} O
O O
En un proceso industrial¡ una carga Hf' se activa de acuerdo a la respuesta de tres sensores HXH¡Hyny nzl!. Al hacer un análisis del proceso! se obtienen los resultados que se indican en la tabla de verdad. f = 1¡ significa que la carga se activó. Dibuje el diagrama ladder del circuito de control., prilTlero sin simplificar y luego sinlplificando de acuerdo al álgebra de Boole.
100
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
3. En la fabricación de cierto producto se utilizan cuatro sensores: S1, S2, S3, S4 y cuatro cargas: una banda transportadora S, dos motores I\U, H2 y una válvula hidráulica V.
)1 1O O11OS O 111 O O 11 VO S4 11OS3 O S2 S1 M2 1 t·l1 00'
Todos los elementos son ON¡OFF y del funcionamiento del proceso, se obtuvo la tabla de verdad que se muestra.
1. Deterrnine las ecuaciones lógicas que caracterizan a cada carga. 2. 1\1inimizar esas ecuaciones. 3. Dibujar el diagrama ladder de las ecuaciones simplificadas. 4. Adicione al circuito un pulsador de manera que al accionarse, todas las cargas se apaguen. Este pulsador representa un parado de emergencia. 5. Asocie el resultado de la tabla a un proceso indLlstrial real
4.
Dibujar ellogigrama
(circuito digital) para la siguiente expresión algebraica:
F= A ( B
+
e(B+A
))
+
e ( D + ( B + e B ))
5. En cierto proceso de selección, un producto sólido se ubica sobre una banda transportadora. En su recorrido, pasa por dos parejas de sensores A, S que sensan la altura del cuerpo y C, D que sensan el peso. Dependiendo de la comparación de las alturas con respecto al peso, el objeto es marcado con tres etiquetas diferentes. Las etiquetas están indicadas como Cl, C2, C3. Luego de fijar las especificaciones, se ha concluido que el modelo del proceso se adecua a un comparador, como se indica en la gráfica; así, si los sensores AS coinciden en el valor binario con los sensores CD (AS = CD), el objeto es marcado con la etiqueta Cl; si los sensores AS son inferiores en valor binario a los sensores CD (AS < CD), la marca que se coloca es C2; si el valor binario de AS es mayor que CD (AS > CD) la etiqueta colocada es C3. En esta parte del proceso no se ha tenido en cuenta el movimiento de la banda, sólo el sensado y etiquetado.
(1 (2
(3
Obtenga las expresiones algebraicas para cada etiqueta, minimice esas funciones y dibuje el esquema /adderque satisface las condiciones del proceso. Fin eiercicio4.1
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
4.4.2.
101
Automatismos Eléctricos
Para todos los problemas propuestos se recomienda (en lo posible) seguir el siguiente procedimiento de solución: 1. 2.
3.
4. 5.
Basado en el enunciado del problema, entender perfectamente lo que se pretende resolver, es decir, entender el problema. Asignar las variables identificando las variables de entrada como son: interruptores, sensores, pulsadores, etc., y las variables de salida como son: bobinas de contactores, relés, indicadores, alarmas, etc. Desarrollar las ecuaciones que den solución al problema aplicando los principios del álgebra de Boole. Es útil utilizar tablas de verdad en donde se describa el proceso en sus diferentes secuencias. A las ecuaciones planteadas aplicar las técnicas de minimización utilizando, por ejemplo, los mapas de Karnaugh. Dibujar el circuito eléctrico (diagrama esquemático eléctrico) y diagrama ladder de contactos de acuerdo a las ecuaciones simplificadas. Verificar que el circuito cumple con las condiciones del problema.
Un aspecto importante y que se debe tener en cuenta, es que múchas de las cargas son contactores, así que al plantear las secuencias se considera un retardo entre el momento de energizar la bobina del contactar y el instante en que actúan sus contac_ tos (tiempo muerto). En forma semejante cuando se desenergiza la bobina, un instante posterior sus contactos retornan a la posición de reposo. Si la carga final es directamente un motor o un indicador, esos retardos no existen. Es conveniente, para un análisis rápido y facilitar la interpretación de los planos, utilizar la símb%gía adecuada en los diagramas esquemáticos, que los nombres asignados a las variables y cargas correspondan tanto en el diagrama eléctrico como en el ladder, o si difieren, que se hagan las correspondientes equivalencias. Para la simbología, volver al capítulo 3. Se utilizará para los esquemas eléctricos los símbolos con norma europea lEC y para el esquema de ladder de contactos, la norma americana JlC.
Ejemplo 4.1 Suponer que se tiene un sistema de riego compuesto por un tanque de almacenamiento y una bomba con motor eléctrico, para el llenado del tanque. El motor se energiza a través de un contactar KM, cuya bobina es energizada mediante un pulsador P. El proceso descrito se ilustra en la figura 4.13(A). En la figura 4.13(B) se dibuja el diagrama eléctrico y, como se observa, es bastante simple; el pulsador P se acciona manualmente, energizando la bobina KM, que a su vez energiza el motor impulsando agua al tanque a través de la bomba. Si se deja de accionar P, se desenergiza el contactar KM y se apaga la bomba. En la figura 4.13(C), se tiene el esquema de contactos.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
102
Un operario está accionando el pulsador P y mantendrá esa acción mientras se esté llenando el tanque; una vez se llena, libera el pulsador. Como hay consumo, el operario debe estar pendiente para evitar que el tanque se desocupe.
KJ'.1
C>l
(c)
I
T
(B)
sT
~p
(A)
~:~
~'
Figura 4.13.
Proceso para riego del ejemplo 4.1 (A) Diagrama pictórico (B) Esquema eléctrico (C) Diagrama escalera de contactos
Este circuito tan simple, presenta varios inconvenientes:
1.
El operario debe estar pendiente del llenado y consumo del agua en el tanque. Para comodidad del operario, se podría pensar en colocar un pulsador con enclavamiento, pero si se le olvida, el nivel se puede desbordar.
2. Si el consumo es mayor que el caudal de llenado, el operario debe estar permanentemente activando y desactivando el motor, lo que constituye un desperdicio de energía, porque si el motor es de alta potencia, se requiere un consumo elevado de energía cada vez que se arranque, y reducción de la vida de todos los elementos mecánicos del sistema (pulsador, contactos del contactar).
3.
Si el riego debe hacerse durante las 24 horas, implicaría disponer de turnos de mano de obra, lo que incrementa costos y cansancio por lo rutinario de la labor. Como se deduce, este proceso constituye un sistema en lazo abierto o control manual, en donde el operario constituye el lazo de realimentación. Para reducir algunos de los problemas anotados, la modificación
al primer modelo es adicionar un
sensor que detecte el nivel del agua dentro del tanque, de manera que cuando el nivel llegue a un valor prefijado, se interrumpa la alimentación del motor; en esta forma se tiene un sistema en lazo cerrado, es decir, un control automático, en donde el sensor se constituye en el lazo de realimenta_ ción. Pero el circuito de control y la disposición del detector, debe ser tal que el motor no se esté conec_ tando y desconectando al sensar cambios mínimos del nivel, pues esto llevaría al problema 2. Una solución consiste en colocar dos sensores de nivel ubicados en dos puntos distintos para sensar un nivel mínimo y un nivel máximo como se indica en la figura 4.14, en donde 51 sensa el nivel mínimo y 52 sensa el nivel máximo.
'--
52-1 --
f
"- 51-19<;. Figura 4.14.
Sistema de llenado detectando
dos niveles
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
103
4. Automatismos de Control Eléctrico
~.
Con base en estas adiciones, las especificaciones para el sistema eléctrico son: 1. Disponer de un pulsador de arranque manual, que iniciará y mantendrá eléctrico. El pulsador puede ser de enclavamiento.
energizado
el sistema
2. Dos sensores de nivel con los cuales se detecta el nivel mínimo 51 y nivel máximo 52. Combinando la actuación de estos detectores, se energiza el motor de la motobomba cuando llegue al nivel mínimo y se detendrá el motor cuando se llegue al nivel máximo. 3. Por las características del motor, un motor trifásico, se utiliza el contactar KM. Recordar que todo contactar contiene mínimo un contacto auxiliar y tres contactos principales. 4. En todo momento la válvula de salida está siempre abierta; los caudales de entrada y de salida son constantes; se considera que la cantidad de agua que sale (consumo) es mucho menor que la cantidad de agua que entra. Es conveniente colocar dos válvulas manuales, una en la entrada y otra a la salida para efectos de mantenimiento; estas válvulas no se incluyen en el circuito de control. Siguiendo el procedimiento de solución propuesta anteriormente, decir, entender el problema.
el primer
punto queda claro, es
Segundo, se establecen las variables, considerando variables independientes y variables dependientes. Como variables independientes están: PA ~ pulsador de arranque Si ~ detector del nivel mínimo S2 ~ deteq:orde nivel máximo KM ~ contacto auxiliar del contactor Como variables dependientes se tiene: KM ~
bobina del contactar
Como tercer paso al procedimiento diferentes eventos del proceso.
de diseño, se plantea una tabla de verdad considerando
DESCRIPCION DE lOS EVENTOS 1. Reposo.Tanque desocupado
PA
S2
SI
KM
KM
o
o
o
O
O
los
2. Energizael sistema 3. Se inicia llenado (retardo) 4. Supera el nivel mínimo: Nmin < N < Nmax 5. Supera el nivel máximo: N > Nmax 6. No entra más líquido al tanque (retardo) 7. Nivel por debajo del máximo: Nmin < N < Nmax 8. Nivel queda por debajo del mínimo: N < Nmin
En la determinación de la tabla funcional, se ha tenido en cuenta el retardo que se presenta entre el instante de energizar la bobina del contactar y el instante posterior, cuando su contacto auxiliar se cierra. Considerando los niveles altos en la carga, la expresión algebraica resulta:
, .
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
K~1 = PA S2 Si KfV¡ + PA
52
104
Sl Kf\1
+ PA 52 Sl
KM
Cuarto, simplificando la expresión se obtiene, finalmente:
Kfvl
=
PA
52 ( 51 +
KfVJ)
Quinto paso del diseño, en la figura 4.15 se muestran cuatro esquemas: en (A) se tiene un diagrama pictórico del circuito de potencia, en donde se tiene el motor de tres fases, los contactos principales del contactor y las tres fases de la red; se ha adicionado un relé térmico F, el cual actuará si se detec_ ta sobrecarga en alguna de las fases y un relé magneto térmico. La figura 4.15(6) tiene el circuito de potencia. La figura 4.15(C) es el diagrama eléctrico de control. Como dispositivo que energiza el sistema se colocó un conmutador de dos posiciones indicado como PA.
El circuito de control, propiamente, está conectado en la posición 2 del conmutador. Se han hecho las siguientes adiciones: un indicador luminoso (piloto) H1, que indica el funcionamiento del motor y de la bomba; un piloto H2, muestra que el sistema está desenergizado. Este indicador se conecta en la posición 2 del conmutador PA. Un indicador H3 que actúa cuando alguna de las fases presenta sobrecarga, es decir, este contacto se actúa cuando el relé térmico de protección se energice.
M:\G:\TTortRMIC'O
~ ====A Kf.'1 ---
S?' ~2
I
,\ ••\,\ -
~l'G~"ETOTilluco (;O~TACTOR
1J ~ ~3JSJ ~ RrLÍ;
T.ERJUCO
CO)\IAéTOR
MOTOR
RI:li:
S21M-
(S)
TtR~nco
SllM-
KM
MOTOR
(A)
R
KM
Hl
H2 2
H3 3
(C)
Figura 4.15.
Esquemas para el proceso de llenado (A) Pictórico del circuito de potencia (B) Circuito de potencia (C) Diagrama eléctrico (D) Esquema Ladder de contactos
La figura 4.15(D) es el diagrama /adder de contactos. Observe que para este esquema, es indiferente el tipo de variables que se utilicen, sólo son contactos abiertos y cerrados. La zona sombreada en el diagrama muestra los elementos adicionales.
Fin ejemplo 4.1
105
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
4. Automatismos de Control Eléctrico
Ejercicio 4.2 1. Para complementar
el diseño del proceso anterior, considere los siguientes datos:
Caudal máximo para el riego: 150m3¡Hr Tiempo que se requiere de ese caudal: 15Hr Capacidaddel tanque: 2000m3 Determinar: a. cantidad de agua que se requiere por día para el riego. b. Cuál es la capacidad de la bomba. c. Tiempo de llenado del tanque. d. ¿Qué dimensiones tiene el tanque? e. Si se requieren 2Hr diarias para mantenimiento del motor y bomba, sin interrumpir el riego cómo se puede programar el llenado, qué capacidad debe tener la bomba y las dimensiones del tanque. f. Consultar especificaciones de bombas que satisfagan las condiciones anotadas. Si hacen falta especificaciones, asumir lo que se requiera.
2. Además de los datos numéricos dados, considere también que una sala de control y supervisión está ubicada lKm del tanque. Desarrolle el diseño si trabaja con un control análogo. Incluya los instrumentos que se requieren indicando sus especificaciones mínimas. 3.
Considerando las especificaciones dadas en numerales 1 y 2, adicionalmente al agua se debe añadir una solución que es el fertilizante. Para ello se tiene un dispensador que mediante una bomba permite que el fertilizante caiga al tanque de agua. La bomba inyecta fertilizante líquido a razón de 2.5 I/min. Para el riego recomendado se requiere que la concentración del químico sea de 21 por cada 300m3 de agua. Diseñar el sistema de acuerdo a estas especificaciones. Hacer las consideraciones que crea convenientes para optimizar el sistema.
4.
Plantee la solución del problema si trabaja con lógica difusa. Fin
ejercicio
4.2
Eje":,plo 4.2 1. Un motor trifásico se conecta en triángulo y es accionado a través de los contactos de un contactor. Cuando se acciona un pulsador (Starf), el motor arranca y se mantiene en movimiento permanente_ mente. La única forma de detenerlo es mediante otro pulsador (stop). Cuando el motor está en movL miento, se da una indicación luminosa con un piloto. Diseñe el circuito. Solución De acuerdo a las indicaciones del enunciado, se dispone de dos pulsadores: Un pulsador de arranque: Si Un pulsador de parada: SO Con: 51
ABIERTO
SO
CERRADO
El motor es manejado a través de los contactos de un contactor, maneja la bobina de un contactor: KMl
entonces el circuito de comando
p-
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
106
Los pulsadores que se utilizan tienen retorno automático (por medio de resorte)¡ así que al accionar (cerrar) el pulsador de arranque¡ se energiza la bobina del contactor¡ actúan sus contactos y arranca el motor e instantes después¡ se libera el pulsador pero el motor debe seguir en movimiento; esto implica que la bobina del contactar debe mantenerse energizada y sus contactos accionados. En alguna forma se debe asegurar esta situación. Este tipo de circuito presenta la característica de automantenimiento o sostenimiento o enclavamiento de la bobina una vez que el pulsador de arranque deje de ser accionado; la técnica que se emplea es utilizar un contacto auxiliar del contactor que se coloca en paralelo con el pulsador de arranque. El funcionamiento de este arreglo consiste en que al pulsar el Start, se energiza la bobina del contactor¡ sus contactos actúan incluyendo el contacto auxiliar. Luego que se libera el pulsador Start, el contacto auxiliar auto sostiene la alimentación de la bobina y en esta forma el contactar permanece energizado y¡ lógicamente¡ la carga conectada actuando. La única forma de desconectar al contactor¡ es actuar otro pulsador que está fuera del paralelo; este pulsador es el Stop. La expresión instantes después se refiere a un corto tiempo que tarda desde el instante de energizar la bobina del contactar y el instante en que sus contactos actúan; así que para que se produzca una conmutación efectiva de los contactos es necesario que el pulsador se mantenga presionado mínimo ese corto tiempo. Igual sucede cuando se hace el proceso contrario¡ es decir¡ desde el instante que se desenergiza la bobina hasta el instante en que los contactos retornan a su posición de reposo. Si el pulsador de arranque o el de parada actúan con tiempos inferiores a los mencionados¡ no se asegura la conexión o desconexión de la carga conectada a los contactos del contactar. Con base en lo anterior se puede plantear una ecuación lógica: KMl
= SO
( S1
+
KMl)
KM1 a la izquierda de la igualdad es la carga (bobina del contactar) mientras que KM1 del lado derecho . de la igualdad es el contacto auxiliar. En la figura 4.16 se muestran problema.
algunas gráficas incluyendo
las que cumplen con el enunciado del
i",= , KM1
--
Fl
J
".
o-~~
-\
111
1
so
.r:-l13
<-12
S1f---
CONEXIÓN TI-\IÁNGULO DEL MOTOR TRIFÁSICIO
Figura 4.16.
el RCUITO El..ECTRICO DE POTEl'jCIA
1'1
KM1\
'11
CIRCUITO ELECTRICO DEL COMANDO
Esquema para la conexión triángulo de un motor trifásico
AUTOMATIZACIÓN
4.
Automatismos
107
INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO de Control Eléctrico
A la izquierda arriba se muestra un diagrama de las tres bobinas del motor trifásico y su identificación. Son tres bobinas Ux, VY, WZ (motor con seis bornes) (ver la foto anexa a los diagramas). A la izquierda abajo la forma de conexión en triángulo de las tres bobinas, tal como se requiere en el problema. El diagrama del centro corresponde al circuito de potencia. Este circuito contiene: • Las tres fases: R, Sy T. • Luego están los contactos principales del contactar KM1 y son los contactos que están en capacidad de manejar las corrientes grandes. • Encerrado en un recuadro se tienen las bobinas de un relé térmico (relé de sobrecarga). Este dispositivo es necesario adicionarlo como medio de protección en el caso que se presente sobrecarga del motor. • Finalmente está el motor, que es la carga principal. Es un motor trifásico de seis bornes dispuesto en una conexión triángulo. El diagrama de la derecha corresponde al circuito eléctrico de comando. Como se observa en la figura 4.16, se cumple la ecuación lógica planteada. En paralelo con la bobina del contactar se tiene el piloto H1 con el que se indica que el motor está funcionando. Adicionalmente, se dispone de los contactos del relé térmico, indicados como F1; es un par de contactos con característica de conexión-desconexión. Si por alguna razón se presenta sobrecarga, el relé térmico actúa, abriendo el contacto cerrado, interrumpiendo de esta manera, la corriente hacia la bobina del contactar. Simultáneamente se cierra el contacto abierto del relé térmico y al cual se ha conectado un piloto indicado como H2; con este piloto (que normalmente es de luz roja) se indica que hay problemas en el motor. El relé térmico y el piloto H2 son adicionales y no están condicionados por el problema; sin embargo, es importante siempre considerar las medidas de emergencia y protección y utilizar los medios disponibles para prevenir posibles fallos y mal-funcionamiento del sistema.
Siempre se debe redundar en protecciones tanto para los operarios como para las máquinas. ¡Los excesos de protecciones no sobran!
H2
FI
I Figura 4.17.
e
Esquema Ladder de contactos para la conexión y arranque de un motor conectado en triángulo
Finalmente, el diagrama ladder correspondiente al circuito de comando se muestra en la figura 4.17. Se incluyen los contactos del relé térmico y el piloto indicador H2. Al circuito desarrollado se le suele denominar:
mando por impulso instantáneo. Fin ejemplo 4.2
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
108
Ejemplo 4.3 Un motor trifásico se energiza por impulso instantáneo y se detiene luego de transcurrir 30 segundos. El motor está conectado a la red en estrella y actúa a través de los contactos de un contactar. Diseñe el circuito.
Solución Según el enunciado, mediante un pulsador se da el arranque y se auto sostiene durante 30s; al finalL zar este tiempo el motor se detiene. Como el proceso incluye tiempo, es necesario colocar un temporizador al circuito. Se pueden plantear diferentes soluciones al problema, considerando que tanto el contactar como el temporizador contie_ nen contactos adecuados para la función de enclavamiento del contactar; aquí se propone una solu_ ción. El circuito de comando contiene un temporizador a la desconexión que se coloca en serie con el pulsador de arranque, como se observa en la figura 4.18.
I
BOBINAS
DEL
1
MOTOR TRIFÁSICO ,,_ fIDU
z
_ _v__ ~,\
x
u
CONEXiÓN DEL MOTOR
/1 j
"
y
v
ESTRELLA TRIFÁSICO
CIRCUITO
DE POTENCIA
CIRCUITO DE COMANDO
w
Figura 4.18.
Diferentes esquemas para la conexión y arranque de un motor conectado en estrella
Cuando se presiona el pulsador 51, se energiza la bobina del temporizádor y simultáneamente se cierra su contacto temporizado KAl, energizando, a su vez, la bobina del contactar principal KMl y esto se aprecia cuando el motor inicia su movimiento (se puede observar el piloto Hl si no es posible observar el motor); ahora se libera 51, se desenergiza el temporizadorKAl e inicia el tiempo progra_ mado. Recuerde que en el temporizador a la desconexión (TOF), desde el instante en que se energiza su bobina, hasta que transcurre el tiempo programado, todos sus contactos cambian: los contactos normalmente abiertos se cierran y los contactos normalmente cerrados se abren; luego de ese tiempo, sus contactos vuelven al estado inicial de reposo. Entonces, cuando transcurre el tiempo, el contacto . KAl vuelve a su estado de reposo, desconectando la bobina del contactar KMl e instantes después, sus contactar vuelven a la posición de reposo, desconectando el motor. El tiempo total en que el motor está en movimiento debe ser de 30s, de acuerdo al enunciado; este tiempo se cuenta desde el instan_ te en que los co tactos del contactar se cierran hasta que se vuelven a abrir. Entonces en el ajuste de los 30s se . ven los tiempos de retardo entre cierre-apertura de los contactos del contactar.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORlO
109
4. Automatismos de Control EléctJi
Adicionalmente al circuito de coma o se añade el pulsador SO que es el pulsador de parada y los contactos del relé térmico¡ con el indicador H2 de sobrecarga. Estos elementos se deben añadir¡ aunque el enunciado del problema no los incluya. iTodo circuito debe tener un pulsador de PARADO DE EMERGENCIA! Se muestra en la figura 4.18¡ el circuito de potencia en donde se disponen las bobinas del motor para la conexión estrella que es la condición del problema. La utilización de los temporizadores a la desconexión (TOF) presenta un problema que puede ser crítico en algunas ocasiones. Se explica mediante la carta de tiempos de la figura 4.19.
S1
~
so
!
----
BOBINA KAl
CONTACTO KAl
BOBINA
KNl CONTACTO Kt-ll
¡ ¡¡ 678
EVENTOS
Figura
4.19.
:¡ ¡ ¡ 9 10 1112
¡
II
1314
Diagrama de tiempos para el circuito de comando de la Figura 4.18
En la figura se muestra el comportamiento del circuito en el tiempo como respuesta de accionar los pulsadores de arranque 51 y de parada SO. Se indican 14 eventos en el tiempo (en el eje horizontal), que se explican en la siguiente forma: EVENTO 1: Se aplica el pulso de arranque con 51 (flanco de subida). En ese instante: Energiza la bobina del temporizador KAl Cierra su contacto KAl Energiza la bobina del contactar KMl EVENTO 2: EVENTO 3:
Cierra el contacto KMl del contactar (debido al retardo tr). Entoncesel motor queda energizado. Se libera el pulsador 51, luego: Inicia la temporización el temporizador Su contacto permanece cerrado El contactar sigue energizado El contacto del contactar sigue cerrado y el motor funcionando.
EVENTO 4:
Transcurre el tiempo programado para el temporizador tp, luego: Abre el contacto KAl, retornando a su posición de reposo Se desenergiza la bobina del contactar.
EVENTO
5: Transcurre el tiempo de retardo trpara el contacto
KM1, así que vuelve a su posición de reposo.
El motor se detiene. EVENTO 6:
Nuevamente se acciona el pulsador de arranque 51, luego: se energiza el temporizador, cierra su contacto, energiza la bobina KM1.
EVENTO 7:
Se libera el pulsador 51, luego inicia la temporización KAl
-10<-'
110
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
4. Automatismos de Control Eléctrico EVENTO 8:
Cierra el contacto KMlluego de transcurrir try el motor inicia operación.
EVENTO 9:
Se acciona el pulsador de parada 50/ luego: El contacto KAl se mantiene cerrado Se desenergiza la bobina KM1.
EVENTO 10: Luego del tiempo tr, abre el contacto KMl deteniendo el motor. EVENTO 11: Libera el pulsador 50/ así que: La bobina del contactor KMl vuelve a energizarse, puesto que el contacto KAl se ha mantenido cerrado y se establece corriente a través de su circuito. EVENTO 12: Vuelve a cerrar el contacto KMlluego del tiempo try el motor se energiza. EVENTO 13: Transcurre el tiempo programado tp para el temporizador, abre su contacto KAl y desenergiza la bobina KM1. EVENTO 14: Abre el contacto KMlluego del retardo try el motor se detiene finalmente. Luego de ese análisis, se llega a varias conclusiones: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Los temporizadores responden al flanco de subida. Se puede considerar que no hay retardos entre energizar la bobina del temporizador y cambiar de estado sus contactos Para el temporizador a la desconexión, en el instante en que se energiza la bobina, sus contactos cambian. Para el temporizador a la desconexión, al desenergizar su bobina, los contactos se mantienen en el estado actual. Para el temporizador a la desconexión, se inicia el tiempo de temporización luego que la bobina es desenergizada. Desde que se energiza la bobina del temporizador y durante todo el tiempo de temporización, sus contactos permanecen en el estado actual, es decir, los contactos cerrados se abren y los contactos abiertos se cierran, sin importar que el circuito esté o no energizado.
Es el comportamiento anotado en la conclusión 6 el que hace del temporizador a la desconexión, un dispositivo peligroso para ciertas aplicaciones, porque a pesar que se desconectó la alimentación del circuito, su contacto permanece inalterable, así que un parado de emergencia no es seguro con este dispositivo. Piense en una situación como la siguiente: Una máquina está controlada por un temporizador a la desconexión y se suprimió la energía en la planta; algún operario, de manera desprevenida, se acerca a la máquina y en ese instante la energía se restablece, la máquina reinicia su funcionamiento poniendo en peligro la integridad del trabajador. Se deben prevenir estas situaciones de riesgo. Queda como ejercicio: deducir una tabla de verdad, dibujar el diagrama ladder para circuito de coman_ do de la figura 4.18. Fin ejemplo
4.3
Cartas o Diagramas de Proceso Recordar que todos los procesos analizados en el libro son sistemas de eventos DES. Para describir cómo funciona un proceso, se pueden utilizar diferentes estrategias. Una de ellas es mediante las cartas o diagramas de proceso. Consiste en representar con rectángulos las distintas cargas (motores, bandas transportadoras, contacto_ res) y los distintos accionamientos (pulsadoresr interruptores, temporizadores, sensores) que actúan sobre esas cargas y representa los eventos que suceden para que el proceso cambie sus estados. La figura 4.20 muestra tres ejemplos de estos diagramas. discretos
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
L~~_] U
I 1'1 P2
KN2
I i 1'3
t
-1
U
--·tl---
I
Kf<11
111
r==;¡
I
KM2
Ti
T2ln
Ti
Pl
1'2
~l
T2
I
-~-~~I-I n t
KH2 Xl
SI'
(B)
(A)
Figura 4.20.
(C)
Ejemplos de tres diagramas o cartas de Proceso
El diagrama de la figura 4.20(A) describe un proceso con dos cargas KMl y KM2; KMl se energiza al accionar P1. Luego, al accionar P2 se energiza la carga KM2, así que están operando las dos cargas. Finalmente, al accionar P3 las dos cargas se apagan a la vez. Para este ejemplo se puede considerar que Pl, P2 Y P3 pueden ser pulsadores, fines de carrera o sensores de alguna variable, pueden ser combinación de estos accionamientos. El diagrama de proceso de la figura 4.20(B), además de los accionamientos Pl y P2, se incluyen temporizadores, así que el proceso que representa este diagrama se puede describir de la siguiente forma: Al accionar el pulsador Pl se energiza la carga KMl y se inicia el temporizador; al transcurrir el tiempo Tl se energiza la segunda carga, KM2. Posteriormente, cuando el sensor P2 envía señal, apaga la carga KMl y después del tiempo TI se apaga la carga KM2. Al cabo del tiempo T3, el proceso se reinicia automáticamente (sin accionar Pl). El diagrama del proceso de la Figura 4.20(C) contiene una carga que representa una alarma sonora (chicharra). El proceso se puede describir en la siguiente forma: Al accionar el pulsador de marcha M se activa la carga KM1; posteriormente, cuando el sensor fin de carrera Xl hace detección de objeto, energiza la carga KM2, cuando transcurre el tiempo Tl las dos cargas se apagan y se da una señal de alarma. Esta señal de alarma permanece activa durante el tiempo TI. Si antes de completar el tiempo TI un sensor magnético detecta objeto metálico, apaga la chicharra y el proceso pasa a desarrollar algún subproceso SP. Después de completar el subproceso se considera que se terminó un producto, así que para iniciar un nuevo producto, se debe accionar M. Ahora, si el sensor magnético no sensó material metálico, al transcurrir el tiempo T2 la alarma se apaga y se reinicia automáticamente el proceso luego de transcurrir el tiempo T3. Cuando se completen 50 productos terminados, se tiene un lote y se da algún tipo de alarma para indicar que se debe introducir materia prima o fabricar otro producto (esto no está indicado en el diagrama, sino que se entregará como especificación en el enunciado del problema).
Como se observa con estos ejemplos, los diagramas de proceso resultan bastante claros al ir a definir algún proceso de producción. El paso que sigue es que basado en estos diagramas, se debe diseñar el circuito eléctrico que satisface las especificaciones del proceso. El proceso contrario es que a partir del circuito eléctrico, efectuar el análisis para deducir la carta del proceso. Considere el circuito eléctrico de mando de la figura 4.21. Contiene tres bobinas de relé KMl, KM2, KM3, seis pulsadores 5lr-oO/ 56, un pulsador de parada de emergencia 50 y tres contactos térmicos Fl, F2, F3. Significa que el circuito va a comandar a tres motores.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
112
Fl.
rr-[-+-- ---------- - -------------I ,
F2
r--r- ------------------.-------------------------- ------
F2
rr-f--T------------------------------------------------
R
r
-- --- -- -- ----- -----\
l ~
•
\
]
-~----
----- -
50Q---~
56[---\
J
KM3
KM2\
KM1
5 4
5
6
KM31
Figura 4.21.
8
7 11
Circuito de comando eléctrico para el manejo de tres motores
Deduciendo las expresiones algebraicas para cada carga se obtiene: (1)
Kr'l1 = ( 51
+ KJ\13) (
(2)
Kt·12 = (53
+ Kf\-l1 ) (54·Kf\-11 + KM2
(3)
Kfv13= (55
+
5I·Kf"'13
KI\12 ) ( 56·Krv12
+ Kf\-'11)
+
)
Kfv13)
En estas ecuaciones no se ha tenido en cuenta el pulsador de parada SO ni los contactos de los térmicos. Además, los pilotos Hl,.", H3 no se incluyen en las ecuaciones por estar en paralelo con las bobinas de los contactores: Cuando se energiza la bobina, el piloto (testigo óptico) se enciende.
Analizando las ecuaciones se tiene: Para que energice
KM3
necesariamente se tiene que haber activado
Para que energice
KM2
se tiene que haber energizado
KM2.
KM1.
Por lo tanto la carga que inicia es KMl accionando el pulsador contactos auxiliares KMl se cierran.
52.
Entonces, todos los
Si acciona: 51, 53, SS, 56, no hay cambio, así la carga que sigue en operación es accionando el pulsador 54; entonces todos los contactos KM2 se cierran. Si acciona: 51, do el pulsador
no hay cambio, luego la carga que sigue es y los contactos de KM3 cambian.
52, 53, 54, 55, 56,
KM3
KM2
accionan_
113
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
Si acciona: 52, 53, 54, 55, 56¡ no hay cambio¡ pues el único pulsador que produce cambio es Si apagando la carga 1. Si Acciona: Si, S2, S4, 55, 56¡ no hay cambio y el único pulsador que produce cambio es S3 que apaga la carga KM2. Si acciona: Si, S2, S3,S4, S6, no hay cambio¡ entonces el pulsador que produce cambio es S5 que apaga la carga KM3.
Kf'11
I Kf\'12
i
Kr"'13 ¡
I I I
52
Figura 4.22.
54
I
I
56
51
53
55
Carta de estado para el circuito de la Figura 4.21
Como resultado del análisis se deduce el diagrama de proceso de la figura 4.22. Observar que en este circuito¡ el accionamiento de los pulsadores no se realiza caprichosamente o en desorden¡ sino que tiene el orden indicado en el diagrama¡ no otro. El pulsador de emergencia so detiene el proceso en cualquier momento¡ desactivando todas las cargas que estén activas en el instante de accionarlo. Se tendría que analL zar¡ de acuerdo al proceso¡ si esta acción del pulsador de emergencia es conveniente o no. Imagine que se está fabricando algún producto que mezcla cinco componentes; si está fabricando el producto¡ va a iniciar la introducción del quinto componente y se presenta una emergencia indicando que la materia prima de este componente se agotó. Es posible que sea absurdo perder este producto¡ si el parado de emergencia reiniciara todo el proceso.
Ejercicio 4.3 ~-
1. Un motor trifásicoconectadoen estrellase puedeoperaren dosformas: manualmentepor impulso permanenteo automáticamentedurante 30s. Diseñarel circuito con el que se pueda hacer este comando.
2. Un motor trifásico opera inicialmenteen estrella y luegode transcurrir Ss pasaa triángulo y se detienefinalmenteal transcurrir60s. Parainiciarel proceso,se debedar un arranquecon un pulsador.Diseñeel circuito.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
114
4. Automatismos de Control El'
3.
Un motor DC de excitación independiente tiene la posibilidad de invertir su giro gracias a dos interruptores: uno produce la marcha hacia delante y el otro la marcha hacia atrás. Si los dos interruptores se accionan simultáneamente, el motor no responde y se da una indicación de alarma. El motor se acciona a través de los contactos de un contactar. Diseñe.
4.
Se requiere controlar el motor eléctrico de un compresor el cual es actuado por los contactos de un contactar. El circuito debe funcionar de la siguiente forma:
4.1 Al operar un interruptor manual se conecta el motor a la línea y se inicia el llenado del tanque introduciendo aire a presión. 4.2 El compresor dispone de un presóstato ajustado a presión máxima. Cuando se opera este presóstato, se detiene el motor y no hay más entrada de aire al tanque. Por consumo, el aire sale del tanque. 4.3. Se dispone de un segundo presóstato ajustado a una presión mínima. Cuando la presión del aire dentro del tanque queda ligeramente por debajo de esta presión, el motor inicia su movimiento permitiendo la entrada de aire al tanque. 4.4. Si en cualquier parte del proceso, el interruptor se actúa estando el motor en movimiento, se detiene el motor y no entrará aire al tanque. Diseñe el circuito y dibujarlo convenientes ..
junto
con el diagrama
ladder. Hacer las consideraciones
que crea
5. La siguiente figura muestra un móvil que se desplaza entre los puntos A y B. El móvil desplaza máquinas-herramientas y el movimiento se obtiene de un motor De. El proceso de desplazamiento tiene la siguiente secuencia: 5.1. El carro está en la posición A. Después que un operario presiona un pulsador de arranque, el móvil inicia el movimiento hacia la derecha, liberando un pulsador fin de carrera colocado en el punto A. Una vez el móvil abandona el punto, se libera el pulsador de arranque. 5.2. Cuando el móvil llega a la posición B acciona otro botón de posición, se detiene durante 60s, hace la inversión del desplazamiento. Ahora el móvil se desplaza hacia la izquierda. 5.3. Cuando el móvil llega al punto A y acciona el botón de posición en ese punto, se detiene finalmente. Este es el ciclo completo del proceso.
Figura Ejercicio 4.3.5.
Desplazamiento
del móvil entre dos puntos
5.4. Para iniciar nuevamente el proceso, se repite el paso 5.1. 5.5 Por seguridad y mientras el móvil
esté en movimiento se debe tener una alarma audio-visual.
Diseñar el circuito que cumpla con ese proceso y dibujar el circuito eléctrico y diagrama ladder. Hacer las consideraciones y cambios que mejoren el proceso.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
6.
La siguiente figura muestra el proceso de transporte Pista Doble.
115
de una masa de un punto a otro, sobre una
Pista 2
Pista Móvil Pista 1
~.
~J¡ ~
Sensores Magnéticos
CD00 ~®(D
Imanes en
Motor de la Pista Móvil
Figura Ejercicio 4.3.6.
Esquemade la pista doble
Posee dos pista fijas (Pista 1, Pista 2) y una· pista móvil que se desplaza verticalmente por medio de una cadena solidaria al eje de un motor (alimentado máximo a 12V). Las pistas están construidas en aluminio. En los puntos indicados:
, están colocados imanes. El carro está dispuesto sobre un mecanismo de cuatro ruedas que se accionan por medio de un motor (alimentado máximo a 3VDC); sobre las ruedas se tienen dos plataformas separadas por medio de resortes. El. móvil se desplaza a través de las pistas sin desviarse porque las pistas están dispuestas en ángulo de manera que el móvil queda perfectamente encajado. El funcionamiento
es el siguiente (ver la secuencia):
6.1. Inicialmente el móvil está ubicado en el extremo de la pista 1, luego el sensor magnético
el sensor magnético 0 con el imán del
6.3. La pista móvil comienza a subir y cuando interactúa el sensor ® con el imán derecho de la pista móvil significa que está alineada la pista móvil con la pista 2, luego se detiene la pista móvil. Se da otro tiempo de Ss y el carro sigue su desplazamiento hacia la derecha. 6.4. Cuando el imán inferior del móvil cierra el sensor magnético ® ubicado al extremo derecho de la pista 2, significa que el carro se debe detener. Allí queda hasta que sea retirada la carga. 6.5. Una vez que se retire la carga del móvil y luego de transcurrir lOs, el móvil inicia su movimiento hacia la izquierda, repitiendo todo el proceso, pero en sentido contrario. Diseñar el circuito eléctrico que cumpla con las condiciones; dibujar el esquema eléctrico y diagrama ladder. Hacer las consideraciones que crea convenientes para optimizar el proceso. Anótelas.
AUTOMATIZACIÓN
4. Automatismos
116
INDUSTRIAL; TEORÍA Y LABORATORIO de Control Eléctrico
1.
~ ~
ti 2.
I
·«'6
3.
I
5.
I Figura ejercicio 4.3.6.
7.
Secuencia del funcionamiento
de la pista doble
La siguiente figura ilustra un brazo mecánico que está sobre un trípode y cuyos movimientos posibles mediante motores DC, de alto torque.
son
117
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
Figura ejercicio 4.3.7.
Mecanismo electromecánico
con dos grados de libertad
Con un motor de 3VDC se logra que el movimiento del brazo sea de 1800 mientras que con un segundo motor de SVDC se abre y cierra la mano. El cierre y apertura de la mano se logra mediante un mecanismo igual al que se utiliza en el freno de las bicicletas (guaya), así que al cerrar la mano, y gracias al alto torque del motor, se logra obtener bastante fuerza. Diseñe un circuito con el que se logren los movimientos para transportar bloques desde un punto a otro y además que disponga del circuito con el que sense la fuerza de la mano, para controlar su cierre de acuerdo a la carga transportada; incluir temporizadores. En lo posible utilice una sola fuente de alimentación. Anote y aplique las sugerencias que mejoren el proceso.
8.
En la siguiente
.figura se muestra un mecanismo electro-mecánico
Moto~y meCfinlsmo Para baJ-ar y subir
el sello
motor para mover la banda
para el marcado de cajas.
! -~rr;-X-)~--
I l"---..../~~\--~-
I
cajas a marcar
sensor2
Figura ejercicio 4.3.8.
bandfi transportadora
Proceso de marcado de cajas
Se tiene un mecanismo que coloca cierta marca a cajas; se compone de una banda transportadora movida por un motor, un mecanismo mecánico movido también por otro motor para marcar las cajas, un sensor que posiciona la caja bajo el mecanismo de marcado y otro sensor que sensa el marcado de la caja. Sensores en los extremos de la cinta transportadora. El funcionamiento
del sistema es así:
~.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL; TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
118
8.1. Un operario acciona un pulsador de arranque (start) para que la banda inicie su movimiento. Luego va colocando las cajas sobre la banda en uno de sus extremos. 8.2. Cuando la caja es detectada por el sensor 2, se detiene y se inicia el movimiento del mecanismo de marcado. 8.3. Una vez se sensa la marca en la caja mediante el sensor 1, el sello sube y la banda reinicia el movimiento, desplazando las cajas. 8.4. Cuando la caja marcada llega al otro extremo de la banda, esta se detiene y entra a operar el brazo descrito en el Ejercicio 4.3.7, con el que se retira la caja que será colocada en una caja depósito. Una vez retirada, el brazo da una indicación a la banda para que continúe su movimiento. 8.5. Cuando se complete un lote de 30 cajas marcadas, se da una indicación para colocar una nueva caja depósito. En este paso: de detiene la banda, se coloca la nueva caja depósito y se acciona el Start para reiniciar otro lote. 8.6. El proceso se puede interrumpir en cualquier parte del proceso, por ejemplo, si falta tinta para el sello, o una caja es imperfecta, o cualquier otra anomalía que detecte el operario. 8.7. Si transcurre un determinado tiempo y no se sensa cajas para marcar, se activa una alarma sonora y detiene la banda. Dis~ñeel circuito y dibuje el diagrama eléctrico y ladder.
9. La figura siguiente ilustra una grúa torre. Posee 3 motores tipo De. El brazo puede girar 3600, el carro se puede desplazar hacia adelante y hacia atrás, mientras que la carga conectada al carro puede subir y bajar; la carga es un electroimán. Brazo Carro Contrapeso
Carga Electroimán
_________________
Figura ejercicio 4.3.9.
.i
M_._1
L
M2
Estructura de la Grúa torre
Se disponen dos masas de diferentes alturas: Mi y M2, ambas terminadas en un tornillo (para que los bloques sean atrapados por el electroimán). El control que se requiere consiste en identificar la masa, energizar el electroimán, coger la masa, desplazarla a una posición determinada, dependiendo de la masa, luego desenergizar el electroimán y retornar el brazo a la posición inicial.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
119
La figura de la izquierda muestra una vista desde arriba cómo se deben ubicar las masas. Po es la posición inicial en donde se colocan las dos masas. La masa Mi se debe posicionar a 1200 y a 50cm del eje de la pluma, mientras que la masa M2 se ubica a 1200 y 20cm del eje. El proceso completo se describe a continuación: Estando el brazo en la posición Po, con un pulsador se da la orden para que se inicie el proceso; la carga desciende, identifica la masa, energiza el electroimán atrapando la masa, sube la carga y desplaza el carro y brazo a la posición correspondiente a la masa atrapada, baja la carga y desenergiza el electroimán, así que la masa cae a una caja en donde se almacena. Una vez que se ubican las masas en su posición final, la pluma regresa el brazo a la poslclon inicial; se coloca otra masa en la posición Po y mediante el pulsadorse da la orden para que repita todo el proceso anotado. Diseñar el circuito eléctrico que satisfaga las especificaciones anotadas. Dibuje el diagrama Hacer las consideraciones que crea convenientes para optimizar el proceso. Anótelas.
ladder.
10. En un edificio de cinco pisos, en cada uno de ellos se dispone de una bombilla y sensor de proximidad; el cubrimiento del sensor está entre los extremos de la escalera en cada piso. Cuando alguna persona va de un piso al otro, el sensor detecta su presencia y activa la bombilla en las escaleras que une esos pisos; el tiempo de activación es de 30s. Si va al siguiente piso, el sensor correspondiente la detecta y energiza la bombilla del siguiente piso. Se debe asegurar que las bombillas de dos pisos consecutivos queden encendidas simultáneamente durante lOs. Diseñar el circuito eléctrico que cumpla con esas especificaciones, dibuje el diagrama ladder. Efectúe un diagrama pictórico del edificio, indicando la ubicación de los sensores y de las bombillas. Si fuera a vender el proyecto, ¿cómo justificaría que este sistema es más eficiente que otros sistemas convencionales, desde el punto de vista de economía y comodidad? Proponer otra solución mejor.
11. Basado en la estructura de una banda transportadora, se colocan en un extremo bloques de madera de diferentes alturas. Las dimensiones de los bloques son: bloque pequeño 3cmx3cm y altura 4cm; bloque mediano: 3cn1x3cm y altura de 6cm; bloque alto: 3cmx3cm y altura 8cm. Los bloques se colocan aleatoriamente. En el otro extremo de la banda se coloca el brazo del problema 4.3.7, el cual selecciona los bloques y los coloca en recipientes distintos, dependiendo de la altura del bloque retira_ do. Diseñar el sistema de control que haga la detección de objetos, manejo del brazo robot para retirar y seleccionar los bloques. Adicione al sistema, un contador de bloques en los recipientes, de manera que cuando alguno de los cubículos llegue a 10 bloques, se detenga la acción del robot, indique con una alarma sonora y se mantenga en ese estado hasta que se desocupe el recipiente.
12.
Para los circuitos propuestos a continuación: 1. 2. 3. 4.
Explique el funcionamiento Dibuje el diagrama ladderde contactos Para los circuitos con dos o más cargas dibujar la carta de proceso. Asocie el proceso a un proceso real. Dibuje un esquema pictórico de ese proceso.
AUTOMATIZACIÓN
4. Automatismos
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO de Control Eléctrico
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4.
Automatismos
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
121
de Control Eléctrico
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4. Automatismos
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
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Fin ejercicio 4.3
AUTO MATIZACIÓN
4.
Automatismos
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
123
de Control Eléctrico
Laboratorio 1.
Automatismos Eléctricos Los siguientes son diagramas de proceso propuestas para diseñar y efectuar el montaje en laboratorio. Para todos los procesos colocar pulsador de parada de emergencia y no utilizar pulsadores con enclavamiento o interruptores.
1. Diseñe las siguientes secuencias con dos cargas. Defina tiempos (T) y tipo de sensores utilizados (S); P es pulsador de arranque y los puntos al final de la secuencia, significan que la secuencia inicia automáticamente luego de transcurrir el tiempo T. ? significa que puede seleccionar temporizador o pulsador, como más le convenga. Asocíeel proceso a un proceso industrial real. Explique con detalle: A.
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2. La secuencia G. tiene un proceso principal y dos subprocesos. La secuencia principal contiene las cargas KMl y KM2 e inicia manualmente cuando se acciona el pulsador PO. Cuando termina esta secuencia, suena una alarma durante un tiempo T. Si antes de acabar este tiempo, se acciona el pulsador Pl, se activa la carga KM4, pero si se acciona el pulsador P2, se activa la carga KM3. Una vez acaba cada una de estas cargas, se repite el proceso principal automáticamente, sin accionar Po. Si la alarma se apaga y no acciona los pulsadores, se repite la secuencia principal. Cada uno de los subprocesos se repite 10 veces, significando que se completa un lote de 10 productos terminados. Si uno de ellos termina primero al accionar el pulsador que lo habilita no debe responder. Cuando se completan ambos subprocesos, se debe indicar con alguna alarma esta situación.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
4. Automatismos
124
TEORÍA Y LABORATORIO
de Control Eléctrico
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Diseñar el circuito que satisface las especificaciones. Explicarlo con detalle.
Asociar el proceso a un proceso industrial real.
3. Dibuje los circuitos y el diagrama ladder de contactos para cada uno de los siguientes diagramas de secuencias. Considere que cada secuencia se inicia manualmente, mientras que los siguientes cambios en las secuencias pueden ser causadas por sensores o temporizadores. Asocie cada secuencia a un proceso industrial real y explíquelo con detalle. CD
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INDUSTRIAL:
125
TEORÍA Y LABORATORIO
4. Automatismos de Control Eléctrico
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Los siguientes procesos están conformados por un proceso principal y algunos subprocesos. La selección de estos depende del acciona miento de sensores que están habilitados cuando en el proceso principal se activa una señal sonora. Considerar que el proceso principal es un producto base y cada subproceso es un producto con algunos elementos adicionales. Para la producción se fabrican cinco productos de cada subproceso y cinco productos del proceso principal. El orden de producción es arbitrario, pero cada que complete el número de productos del subproceso se debe indicar con una señal luminosa y cuando se completen los quince productos, una señal sonora debe indicarlo.
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 4. Automatismos de Control Eléctrico
126
4. Proyecto. Se tiene una fábrica de herramientas de hierro y acero, en la cual sobresale la construcción de martillos. El proceso que se va a describir es el de la fabricación de martillos; se fabrican de varios tamaños, que dependerán del tamaño del molde. El proceso comienza con el transporte de la materia prima (bloques de acero) desde la bodega hasta el horno de fundición a través de la banda transportadora; los bloques se arrojan a un horno previamente caliente a la temperatura de fusión del acero. Se temporiza 10 minutos a esta tempera_ tura para que el acero se convierta a liquido; en seguida, el acero es vertido sobre los moldes dispuestos para tal fin; luego, los moldes son enfriados por medio de compresores, proceso que tarda 5 minutos y después, los moldes se trasportan hasta el lugar donde se sacan se verifican y tienen otros tratamientos, para, finalmente, colocarlos sobre carros que los llevaran a su ensamble. Descripción del proceso simplificado: 1. Por medio de una banda transportadora se traslada la materia prima de la bodega al horno, donde se abre la compuerta para que caigan al horno. 2. La materia prima cae al horno, detecta el material y luego se enciende hasta llegar a cierta temperatura, luego temporiza 10 minutos a esa temperatura, cuando se cumple el tiempo programa_ do, el horno se apaga y vierte el material líquido sobre los moldes. 3. El acero líquido a alta temperatura es vertido sobre los moldes, allí se supervisa el nivel de líquido y la temperatura y que los moldes queden con el nivel de material líquido requerido, es decir llenos totalmente. 4. Cuando se verifica que los moldes se han llenado correctamente se comienza la etapa de enfria_ miento, que consiste en hacer circular aire frío casi congelado sobre los moldes por medio de compre_ sores anteriormente diseñados para tal fin. 5. Se verifica que la temperatura haya bajado para que los moldes puedan ser manipulados y el material esté solidificado dentro de los moldes. 6. Los moldes se transportan al área de perforación para que allí se activen los taladros perforarlos y luego pasen a la etapa de ensamble que se hará manualmente.
para
Diseñar el sistema, deducir y dibujar el diagrama de secuencias e implementar el circuito eléctrico.
Fin laboratorio 1
4.5.
Conclusiones
Se presentó en el capítulo, el diseño de los automatismos basados en el álgebra de Boo/e, es decir procesos de comportamiento todo o nada. Estos procesos están enmarcados dentro de los sistemas de eventos discretos, mencionados en el capítulo 2 (sección 2.9) en donde los cambios del proceso, suceden cuando se presenta un evento. Así que lo estudiado en este capítulo y todos los siguientes capítulos, permiten ver la orientación del libro hacia el estudio de los sistemas DES, o sistemas de eventos discretos.
I
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
127
5. Controlador LÓ9ic-oProgramable
CONTROLADOR
,
5.
LOGICO
PROGRAMABLE PLC
5.1.
Introducción
En el capítulo anterior se estudiaron los dispositivos eléctricos y su interco_ nexión para desarrollar procesos, recordando que son procesos enmarcados dentro de los sistemas de eventos discretos DES, uniendo todos estos dispositivos de una manera planificada y con un propósito, se obtienen los circuitos eléctricos.
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Imaginar una planta en donde se fabrican y ensamblan autos. La disposición de esta planta se adecua de manera que produce un modelo de auto con sus características particulares. En esta planta se utilizan varias tecnologías: eléctrica, hidráulica, neumática, todas trabajando armónicamente para producir ese modelo. Centrando la atención en la tecnología eléctrica, todos los actuadores y captadores están dispuestos, unos en las zonas del proceso, otros dispuestos en grandes armarios (armarios de relés). El problema surge cuando se quiere introducir un nuevo modelo de auto (porque el mercado así lo exige); este cambio implica que gran parte de la estructura de tecnolo_ gías, en especial la eléctrica, pues es esta la que comanda a las otras tecnologías, tiene que alterarse. Este fue el problema que afrontó la General Motors en sus plantas de producdón. "Estos cambios implicaban elevadísimos costos y largos periodos de tiempo para su reestructuración y adaptación. Entonces la empresa buscó una alternativa que reemplazara los complejos y rígidos sistemas de control con relés. El nuevo sistema debía cumplir con ciertas especifica_ cio es como por ejemplo: 1. Que fuera programable y de programación sencilla. 2. cambios en el programa sin tener que intervenir en el sistema (sin alterar el cableado). 3. Pequeño¡ más económico y fiable que los sistemas de control con relés. •. Sencillo y bajo costo de mantenimiento.
128
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 5. Controlador
Lógico Programable
Paralelamente a la necesidad de la General Motors, otra compañía: La Bedford associates, desarrolló y presentó a la fabricante de autos algo denominado Controlador Dígital Modular MODlCON (MOdular Dlgltal CONtroller). El dispositivo gustó y fue introducido en una de las plantas de la GM. Así nació el primer PLC (PLC: Programmable Logic Controller). Así que en 1968 se desarrolló el primer control lógico programable. Desde entonces, el acelerado desarrollo de la microelectrónica ha permitido su evolución y populariza_ ción. Se puede decir que el PLC nació como una alternativa a los circuitos complejos de automatización; así que el PLC es un aparato electrónico que sustituye los grandes y cortiplejos armarios eléctricos. Entonces este capítulo se dedica al estudio de este equipo tan fundamental en todos los campos de la manufactura.
5.2.
importante
y
--
Definición y Aplicaciones
El término Control Lógico Programable lo define el comité eléctrico internacio_ nal lEC 1131 parte 1 (lEC: Intemational E/ectrical Committee) como: «Un sistema electrónico de funcionamiento digital, diseñado para ser utilizado en un entorno industrial, que utiliza una memoria programable para el almacenamiento interno de instruc_ ciones orientadas al usuario, para la realización de funciones específicas tales como enlaces lógicos, secuenciación, temporización, recuento y cálculo, para controlar, a través de entra_ das y salidas digitales o analógicas, diversos tipos de máquinas o procesos. Tanto el PLe como sus periféricos asociados están diseñados de forma que puedan integrarse fácilmente en un sistema de control industrial y ser fácilmente utilizados en todas las aplicaciones para las que están previstos.»
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Todas las máquinas o sistemas automáticos tienen control. Dependiendo del tipo de tecnología, los controles pueden dividirse en neumáticos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos; generalmente se utiliza una combinación de las diferentes tecnologías. Además se distingue entre controles con programa cableado (conexionado físico de compo_ nentes electromecánicos) y controles programados como los PLC. Los controles cableados se utilizan cuando los procesos siempre se mantienen, o se tienen que efectuar cambios que no implican alteración en su estructura, mientras que los controles programables, resultan ideales en aquellas factorías en donde hay varie_ dad de productos, diversidad de procesos, generación de nuevos modelos, etc. En estos casos, dado que el programa se tiene grabado en una memoria, el usuario pue_ de modificar, ampliar y optimizar con facilidad sus procesos de control.
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La tarea original del PLC es la interconexión de señales de entrada, de acuerdo con un determinado programa; si el resultado de la interconexión es «cierta», activa la corres_ pondiente salida. El álgebra de Boo/e forma la base matemática para esta operación, ya que solamente reconoce dos estados definidos para una variable: o falso y 1 cierto.
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
129
5. Controlador Lógico Programable
Consecuentemente una salida también asume uno de estos valores, por ejemplo, un motor conectado en la salida: está energizado o no. En el PLC el comportamiento de entradas-salidas es semejante al de los controles realizados con dispositivos €Iectromecánicos, con elementos lógicos, neumáticos o electrónicos; la diferencia está en que el programa, en lugar de estar cableado, está almacenado en una memoria. Sin embargo los alcances del PLC se ampliaron rápidamente: las funciones de tempo_ rización, conteo, operaciones de cálculo matemático, conversión de señales análogas, 000' representan funciones tan comunes que pueden ejecutarse en casi todos los PLCs modernos. Otras operaciones son, por ejemplo, la visualización, es decir, la representación de los estados de las máquinas o la supervisión de la ejecución del programa por medio de una pantalla o monitor; también el control directo, esto es, la facilidad de intervenir en los procesos de controlo, alternativamente, impedir tal intervención a las personas no autorizadas. El desarrollo de las comunicaciones ha permitido interconectar y armonizar sistemas individuales controlados por PLC, por medio de redes o buses de campo. Aquí, una computadora principal permite la generación de órdenes de mayor nivel para el procesamiento de programas en los diversos sistemas PLC interconectados. La conexión de varios PLCs, así como la de un PLC con el computador maestro se realiza por medio de interfaces de comunicación especiales. Para ello, la mayoría de los más recientes PLCs son compatibles con sistemas de bus abiertos estandarizados, tales como Profíbus. Gracias al aumento de la potencia y capacidad de los PLCs avanza_ dos, pueden incluso asumir directamente la función de una computadora maestra. Hacia finales de los setenta, las entradas y salidas binarias fueron finalmente amplia_ das con la adición de entradas y salidas ana lógicas, ya que hay muchas aplicaciones técnicas que emiten y requieren señales ana lógicas (medición de fuerzas, velocidades, temperaturas, presión, sistemas de posicionado). Al mismo tiempo, la adquisición y emisión de señales analógicas permite la comparación de valores reales con los de consigna y, como consecuencia, la realización de funciones de regulación automática, tarea que va más allá del ámbito que sugiere el nombre de control lógico programable. Mencionar los campos de aplicación resulta una tarea gigantesca, pero en general, los PLCs se emplean en procesos industriales que tengan una o varias de las siguien_ tes necesidades: • • •
Espacio reducido Procesos de producción cambiantes Procesos secuencia les
• •
aquinaria con procesos variables Instalaciones de procesos complejos Supervisión centralizada o distribuida, dependiendo de la complejidad.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
130
Lógico Programable
Se pueden resumir las aplicaciones¡ en general: • • • Las ventajas • • • • • •
Maniobras en máquinas Maniobras en instalaciones Señalización y control. de utilizar los PLCs son: Menor tiempo de elaboración de proyectos Posibilidad de añadir modificaciones sin costo agregado en otros componentes. Mínimo espacio de ocupación. Menor costo de mano de obra y mantenimiento económico. Posibilidad de comandar varias máquinas con el mismo autómata. Menor tiempo de puesta en funcionamiento.
Los inconvenientes: • •
Entrenamiento Costo.
y capacitación de técnicos.
Los dos inconvenientes han sido superados. El primero, entrenamiento especializado, no es un problema, puesto que la automatización es una disciplina que se está impar_ tiendo en muchas ingenierías. El segundo, costo, se dispone de PLCs de todos los precios en proporción a sus funciones y capacidad.
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Figura 5.1.
Distintos PLCs- Izquierda:
PLC Siemens. Centro: PLC Festo. Derecha: PLC ABB
Dada la cantidad de fabricantes de PLCs, cada uno ofrece su equipo con caracterís_ ticas muy particulares; esto implica que si en la fábrica, para desarrollar cierta parte de un subproceso se coloca un PLC Siemens y se desea implementar PLCs en otros subprocesos, no era posible colocar PLCs de otros fabricantes, sino que tenía que ser Síemens. Es decir, no existía compatibilidad tecnológica. A finales de la década del 70, se plantearon en Europa algunos estándares válidos para la programación de los PLCs, enfocados principalmente al estado de la tecnología en ese momento. Tenían en cuenta sistemas de PLCs no interconectados, que realiza_ ban operaciones lógicas con señales binarias. DIN 19239, por ejemplo, especifica un lenguaje de programación que posee las corres_
pondientes instrucciones para estas aplicaciones. Anterior a esta norma, no existían elementos de lenguaje estandarizados ni equivalentes para el desarrollo de progra_ mas de PLC.
é
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
131
Lógico Programable
Los desarrollos aparecidos en la década del ochenta, tales como el procesamiento de señales análogas, interconexión de módulos inteligentes, sistemas de PLCs en red, etc., agravaron el problema de la incompatibilidad. Sistemas de PLCs de diferentes fabricantes requerían técnicas de programación completamente diferentes. En 1992 se estableció un estándar internacional para controles lógicos programables y dispositivos periféricos asociados (herramientas y programación, equipos de verificación, interfases humanas, máquina HMl, etc.). En este contexto, un dispositivo configurado por el usuario y compuesto por los elementos anotados se conoce como un sistema PLe El nuevo estándar lEC 1131 consta de cinco partes: Parte Parte Parte Parte Parte
1 2 3 4 5
(lEC 1131-1): Información general. (lEC 1131-2): Requerimientos y verificación de equipo. (lEC 1131-3): Lenguajes de programación. (lEC 1131-4): Directrices para el usuario (lEC 1131-5): Especificaciones del servicio de mensajes.
La finalidad del nuevo estándar era definir y estandarizar el diseño y funcionalidad de un PLC y los lenguajes requeridos para la programación hasta un grado en el que los usuarios pudieran hacer funcionar sin ninguna dificultad los diferentes sistemas de PLCs de los distintos fabricantes en la misma planta. Las amplias especificaciones sirven para definir sistemas de PLC abiertos y eslandarizados. Los fabricantes deben ajustar_ se a las especificaciones de este estándar, tanto en el aspecto puramente técnico de los requerimientos de un PLC como en lo que se refiere a la programación de tales controles. La mayoría de los principales proveedores se acogieron a esta norma (entre ellos: Allen Bradle~ Klocker-Moeller, Philips,. Siemens,. Telemecanique,. ABEJ,.Mitsubish,) y conformaron un grupo conocido como PLCopen, cuyo fin es apoyar el estándar.
5.3.
Arq U itectu ra
Un PLC es un equipo electrónico basado en un microprocesador o micro_ controlador dispuesto en forma modular y que se puede programar; diseñado para controlar procesos en tiempo real y soportar ambientes industriales agresivos.
INFORMACIÓN SUMINISTRADA POR EL PROCESO
Figura
5.2.
Bloques que muestran un proceso controlado
por el PLC
AUTOMATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
132
Lógico Programable
BLOQUES
DE SALIDA
CPU
DE ENTRADA INTERFACES BLOQUES DISPOSITIVOS DE ENTRADA O CAPTADO RES
-
F.AllMENTACIÓN
• CONSOLA DE
DISPOSITIVOS DE SALIDA O ACTUADORES
• DISPOSITIVOS
PROGRAMACIÓN
Figura 5.3.
-
PERIFÉRICOS
Bloques generales del PLC y sus periféricos
básicos .~
La figura 5.3 muestra los bloques y periféricos básicos que conforman un PLC. Su descripción es:
5.3.1.
BLOQUES PRINCIPALES
Bloque de entradas. Adapta y codifica de forma comprensible para la CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores, como por ejemplo: pulsadores, fines de carrera, sensores, etc. Además protegen a los circuitos internos presentando un aislamiento eléctrico entre estos y los dispositivos externos. Bloque de salidas. Decodifica y amplifica las señales provenientes de la CPU y las envía a los dispo_ sitivos de salida o actuado res tales como: contactores, electro válvulas, lámparas, etc. También se encargan de proteger los circuitos internos de los dispositivos externos, presentando aislamiento eléctrico. Unidad central de procesos (CPU) Es el cerebro del PLC. Su función es interpretar
las instruc_ ciones del programa de usuario y en función de las entradas activar las salidas adecuadas al proceso.
5.3.2.
Bloques Necesarios
Fuente de alimentación: A partir de una tensión exterior proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento
de los distintos circuitos electrónicos del controlador.
Batería: Es una pila de respaldo para mantener presentara un corte en la alimentación externa. Consola de programación:
el programa y algunos datos en la memoria si se
Puede ser un PC o una unidad especializada de programación,
en la que
se elabora el programa.
Periféricos. Son aquellos elementos auxiliares, físicamente independientes del PLC y que se unen a este para realizar tareas específicas y que amplían su campo de aplicación o facilitan su uso. Como tales no intervienen directamente ni en la elaboración o ejecución del programa. Interfases. Circuitos o dispositivos electrónicos que permiten la conexión a la CPU de los elementos, dispositivos y equipos periféricos. La figura 5.4 detalla la estructura interna del PLC. De estos bloques el más importante es la CPU:
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
133
Lógico Programable
MEMORIA DE PROGRAf-1A
E BUS
:¡:1'IT.E_ILI:!.Q
__ .~
···--··E--·~--:·""·.::c:::._·_···-
.. _.
,----..., _~
···--·:··"-E"
..
INTERFACES
-~
DE SAUOA
_..••. -~
'-----'-..
UNIDAD CENTRAL
CPU
FiguraS.4.
Arquitectura
interna del PLC
CPU (CPU: Central Processing Unit): Es la encargada de ejecutar el programa de usuario y activar el sistema de entradas y salidas. En algunos PLCs tiene la función de controlar la comunicación con otros periféricos externos, como son: la unidad de programación, LCDs, monitores, teclados, otros controla_ dores, computadoras, etc. La CPU está formada por el microprocesador (IJP), la memoria y circuitos lógicos complementarios. En algunos PLCs el microprocesador se sustituye por dispositivos lógicos programables (DLP: Devices Logic Programmable) o redes de puertas lógicas (gate arraj), conocidos también como circuitos de aplicación específica (ASIC: Application Specífíc Integrated Circuit). La CPU ejecuta el programa de usuario que reside en memoria, adquiriendo las instrucciones una a L!na. El funcionamiento es de tipo interpretado, con decodificación de las instrucciones cada vez que son ejecutadas (ver figura 5.5).
---_ .... -.~ -_ .....
-~_._.._ .._ ..__ ..-
LAZADO :
;:_:~1¿[:j?;~·~;~~~~~j
_--~..--_. IpROGRAt:iAl1
N~ADO__: .. _. L.~~~U!~LE
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! Figura
LENGUAJE INTERPRETADO
~
ANALIZA
Y
:,
EJECUTA",
¡ UN PROGRAMA , SENTANC[A A SENTENCIA
¡•
5.5. Comparación entre lenguaje compilado vs lenguaje interpretado
La figura 5.6 muestra los bloques fundamentales
de la CPU.
Unidad aritmético-lógica (ALU: Aríthmetic Logic Unit): Es la parte de la CPU donde se realizan los cálculos y decisiones lógicas. Acumulador.
Almacena el resultado de la última operación realizada por la ALU.
Banderas (Flags : Son indicadores del resultado de operación. El estado de estos indicadores puede ser consultado por el programa. Contador tran las i
de programa (PC: Program Countef): Direccionamiento de la memoria donde se encuen_ es del programa de control y del cual depenge la secuencia de su ejecución.
Decodífica
in stru
COl'
Jfl€:5
e instrucciones y secuenciador. Cableado y/o programado donde se codifican las en la memoria y se generan las señales de control pertinentes.
134
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
BUS DE DIRECCIONES BUS DE DATOS BUS DE CONTROL
I ACUMULADOR I DECODIFICADOR DE INSTRucaONES y SECUENCIADOR
CONTADOR DE PROGRAMA
PROGRAMA MONITOR DE SISTEMA
Figura
5.3.3.
5.6. Bloques fundamentales
de la CPU
Programa ROM
El fabricante suele grabar una serie de programas ejecutables fijos, software O firmware del sistema y es a estos programas a los que accederá el microprocesador para realizar las funciones ejecutivas. El software de sistema de cualquier controlador, consta de una serie de funciones básL cas que realiza en determinados tiempos de ciclo: al inicio, durante el ciclo o ejecu_ ción del programa y a la desconexión. Este programa del sistema varía dependiendo del fabricante, inclusive del modelo para una misma marca, pero, en general, tiene las siguientes funciones: • • • • •
Supervisión y control de tiempo de ciclo (watchdog), tabla de datos, alimentación, Autotest en la conexión y durante la ejecución del programa. Inicio del ciclo de exploración de programa y de la configuración del conjunto. Generación del ciclo base de tiempo. Comunicación con periféricos y consola de programación.
batería, etc.
Hasta que el programa del sistema no ha ejecutado todas las acciones necesarias que le corresponden, no se inicia el ciclo de programa de usuario.
5.3.4.
Memorias
Es cualquier tipo de dispositivo que permita almacenar información en forma de bits (ceros-unos), los cuales pueden ser leídos posición a posición (bita bit) O por bloques de 8 bits (byte) O 16 posiciones (Wora). Observando la tabla superior de la figura 5.7 se tiene:
i1"'.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
135
5. Controlador Lógico Programable
VOlATIl NO
VOlÁTIL RAM+EEPROM EEPROM RAM+ BA.TERIA EPROM
(RAM BATERÍA) MONITOR. PROGRAMA ucrrR-\.!l:sarrrnu PROGRAMA SÓ.LOLECILR-\.. DE USUARIO DE USUARIO DATOS +INTERNOS ME.\IORl-\. APLlCAClO]\'ES PROGRAMA DE USUARIO Parámetto$ Mas IMAGEN MEMORIA RAM E/S EEPROM INTERPRETE (Lo depurado) guarda una "'t!Z Datos internos n1antenido$ Respalda a+ la RAM PARÁMETROS
ROM
RAJ'1
--
Programas
finnware
y de sisrel1l:\.
oimemas EPROl\-l) (R.A.M) o EPROM) (R.-\.l\-l) (RA.M) (RAM (ROM :t"lel1lolias temporales ?vIemoria d~j programa de de Mell101i:l. l\·felllCl13 dé dates imagen numéricos Q tRbla yusuarÍo v:niables estados de E/S
del }
sish:mill
FilmWilre
Programa o memoria
MEMORl-\.
INTER."IA
ml!fnoria
d. }
?\'lelUona de la mblll de daTOs
MEMORIA }
Figura
5.7.
:Memoria
del
usuario
DE PROGAAMA prognmlll
de
USU,U;L)
Diferentes tipos de memorias que posee el PLC
Memoria de acceso aleatorio (RAM: Random Access MemorYJ: Es una memoria de lectura-escritura. Puede efectuar esa función por procedimientos desaparece al suprimir la alimentación.
eléctricos.
La información
que tenga almacenada
Memoría de sólo lectura (ROM: Read Only Memory): En estas memorias se puede leer su contenido pero no se puede escribir en ellas; los datos e instrucciones los graba el fabricante y el usuario no puede alterar su contenido. Aunque se suprima la alimentación, su información siempre permanece.
Memorias de lectura reprogramable (EPROM: Erased Programmable ROM): El usuario puede almacenar información en ellas y queda permanentemente. Sin embargo, se puede borrar su última información (limpiarlas) utilizando ultravioleta. Memorias EEPROM. Son semejantes a las anteriores, pero se pueden reprogramar utilizando medios eléctricos.
Memoria inter a (Ver figura 5.7 cuadro inferior): Se almacena el estado de las variables que maneja el LC tales como: entradas, salidas, contadores, re/és internos, señales de estad, e Se p
ocupa la
asificar por el tipo de variable que almacena y el número de bits que '3 lel así que se tiene:
136
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO
5. Controlador Lógico Programable • Posiciones de un bit (bits internos)¡ están: memoria imagen de entrada/salidas¡ especiales/auxiliares.
relés internos, relés
• Posiciones de 8, 16 o más bits (registros internos) se incluyen: temporizadores¡ registros de uso general.
contadores y otros
Las variables contenidas en la memoria interna¡ pueden ser consultadas y modificadas continuamente por el programa cualquier número de veces.
Memoria imagen: almacena las últimas señales leídas en la entrada y enviadas a la salida, actualizándose tras cada ejecución completa del programa (ciclo de programa). La figura 5.8 ilustra el ciclo del programa de las señales de entrada/salida a través de las memorias de imagen. Ese ciclo se desarrolla en la siguiente forma:
MEMORIA DE PROGRAMA
INTERFAZ DE ENTRADAS
IMAGEN DE ENTRADAS;
I~
IMAGEN DESAUDAS
l'~-', ~!U' "'-.:... L ...../
INTERFAZ-l DE SALIDAS
I
MEMORIA DE DATOS
-
'3"';
Ciclo de un programa
-}e ~
y
%&!
¡=
. 'i ..
:$
Ct
·'H"UL
las memorias imagen
1. Antes de la ejecución del programa de usuario, la CPU consulta los estados de las entradas físicas y carga con ellos la memoria imagen de entrada. 2. Durante la ejecución del programa de usuario, la CPU realiza los cálculos a partir de los datos de la memoria imagen y del estado de los temporizadores, contadores, relés internos, etc. El resultado de estos cálculos queda depositado en la memoria imagen de salida. 3. Finalizada la ejecución, la CPU transfiere a las interfaces de salida los estados de las señales conte_ nidos en la memoria imagen de salidas, quedando el sistema listo para comenzar un nuevo ciclo.
La figura 5.9 muestra otra forma de ver el ciclo de programa y se ilustra con un ejem_ plo;Observar en la figura 5.9(6) el tiempo o retardo que se presenta desde que se acciona el pulsador IO.O hasta que la carga QO.o se activa. Otras variables que se almacenan en la memoria interna son: Relés internos. Ocupan posiciones RAM de 1 bit y son utilizados como área de datos temporales, como salida de resultados de operaciones intermedias y para controlar otros bits o registros, temporiza dores y contadores . . Relés auxiliares especiales. Se guardan en posiciones de 1 bit y mantienen información sobre señales necesarias para el sistema como: relojes¡ bits de control¡ banderas de estados de la CPU e información sobre el PLC (run, stop, halt, errores, etc.). Estos relés pueden consultarse y utilizarse desde el programa usuario.
r
137
AUTOMATlZAC!ÓN lNOOSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
""'" \
-
r-RINC(?1Q t>EI. CICLO
/
ENTRADAS lMA.GEN DE PROCESO DE LAS ENTRADAS
PROGRAMA PRINCIPAL
IMAGEN DE PROCESO DE LAS SALIDAS SALIDAS FIN DEL CICLO
(A)
(8)
Figura 5.9.
Ciclo de programa
(A) Mostrando
el proceso desde la entrada a la
salida (B) Ejemplo que muestra el retardo producido por ese ciclo
Área de temporízacíón y contadores. Ocupa posiciones de 16 bits o más; capaces de almacenar los valores de preselección y estados actualizados de estos elementos.
Dates
de usuario
(EEPROM)
1024 palabras
(rG'fllanenlwi
2560 palabras
ttornanentc'S)
I Respaldo
i Tip. 190n
Tip. 50n (min. 81la40' Cl
tfi¡E=Yi:;::~;im~:I~. Tip200días :~í~i~~~-inc-o-:pc-f.~~~ . ....._ .. ~El~~ Tamaño@laimagende lE/S digílalBs
..
(min. 120 II a 40' Cl
b~~~.~¡a~_ _ _._....."
·-...-.~I¡¡-8Es·=~ .._.==rf4-Ei1i)-s-··_--_·
__
.
24 Ell6S
256 (125E!128S)
(i6E/16S¡
Ninguno
(32 E/32 S¡
analógícas " E/S Ta;'~.··de. 1-3¡';'agen dB
p¡;;;;&;;démoouloS
~.a~:;;¡;;;ii·~:·NInguno
I N"
de ¡;mpliación
Ninguno
d9 im~
6
max.
de módulos
ljntsli'~":: .• f
Entradas 00
:'~tadof
_
cap!tM".a
-4 CornadO(l}S ~a 30 .:Hz
rápidos
Fns9"sim
~ 2 fases
2a20 kHz
¡Salidas
2
21"nódu]os
7mooulos
8
14
en total
¡,6a30l
_
da impu!:>cs
Figura 5.10.
a
20 kHz (sólo en salidas
Tabla con especificaciones
,.~_
,V. __r~_,,'
__ ,'/_,<_<"',
SI; to';al .
1:82:: l
De)
de memoria para la familia de PLCs 5iemens CPU 57-200
Memorias de programa: Almacenan el programa de usuario. Además, puede contener datos alfanu_ méricos y text bre o iden .
variables y también, información parametrizada sobre el sistema. Por ejemplo, nom_ del programa escrito, indicaciones sobre la configuración de E/S o sobre la red de
PLCs, si
el programa de usuario ocupa un paso o dirección del programa y necesita, para ser posiciones de memoria (dos bytes o una palabra (Wora)).
138
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO Lógico Programable
AUTOMATIZACIÓN
5. Controlador
r
~.
Memoria de usuario: es siempre de tipo permanente
+ batería o
En una secuencia normal de trabajo, en la fase de desarrollo y depuración del programa de control, se utilizan las memorias RAM respaldadas con batería. Una vez se está seguro del funcionamiento correcto del programa se pasa esta a las memorias no volátiles EPROM o EEPROM. RAM
EPROMjEEPROM.
A todas las posiciones de memoria que es capaz de direccionar el PLC se les denomina mapa de memoria. Ese direccionamiento depende de varios factores, a saber: La capacidad de direccionamiento de la CPU que determina el número de direcciones asignadas a los dispositivos internos, el número de entradas/salidas conectadas que determina la longitud de la memoria imagen de E/S, la longitud de la memoria de usuario utilizada. Tomando como ejemplo el PLC Siemens, se compone del área de datos y de objetos. El área de datos se divide en una memoria de variables, una imagen de proceso de las entradas, una imagen de proceso de las salidas, marcas internas y marcas especiales. El área de datos es muy flexible, permitiendo accesos de lectura/escritura a todas las áreas de memoria, a excepción de algunas marcas especiales que sólo pueden leerse. El acceso a la memoria de datos completa se realiza en forma de bits, bytes, palabras o palabras dobles. Los objetos son direcciones asignadas a elementos, como puede ser por ejemplo, el valor de un temporizador. Los objetos abarcan temporizadores, contadores, entradas y salidas analógicas, acumuladores y valores actuales de los contadores rápidos. El acceso a los objetos está más limitado, puesto que solamente se puede acceder a ellos en función del uso que se les haya previsto. El área de datos contiene una memoria de variables (v), la imagen de proceso de las entradas (E), la imagen de proceso de las salidas (A), - marcas internas (M) y marcas . especiales (SM). Los objetos pueden ser temporizadores (T), contadores (z), entradas ana lógicas (AE), salidas analógicas (AA), acumuladores (AC) y los valores actuales de los contadores rápidos (HC). Las entradas y salidas analógicas así como los valores de los contadores rápidos (He) se almacenan por lo general en elementos (módulos analógicos o contador rápido) más que en la memoria RAM. La memoria RAM provee espacio para las demás áreas de datos y objetos. Un conden_ sador de alta potencia que alimenta la memoria RAM se encarga de respaldar los datos por un tiempo determinado después de desconectar el autómata programable y sin necesidad de ningún tipo de mantenimiento adicional el condensador respalda la memoria desde 50 horas hasta unas 190 horas, dependiendo de la CPU. El usuario puede definir hasta seis áreas remanentes para elegir las áreas de memo_ ria que deberán ser respaldadas cuando se interrumpa la alimentación. No todas las áreas de datos almacenadas en la memoria RAM pueden ser remanentes; las áreas de datos que pueden ser remanentes son: v, M, T(TO a TIl y T64 a T95) y C.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
139
5. Controlador Lógico Programable
Marcas especiales. Las marcas especiales ponen a disposición una serie de funciones de estado y control y también sirven para intercambiar informaciones entre el autómata y el programa. Las marcas especiales disponen de áreas de sólo lectura y de lectura/escritura. El área de sólo lectura comienza a partir de SMO y termina en SM29. El autómata actualiza solamente las direcciones de sólo lectura que proporcionan diversas informaciones de estado. Con las marcas SM30 a SM85 se pueden seleccionar y controlar funciones especiales (contadores rápidos, modo freeport (comunicación Freeporf) así como salidas de impulsos) y acceder a los valores de los dos potenciómetros integrados. Temporizadores. Los temporizadores (TON ó TONR) son elementos que cuentan intervalos de tiempo. Los temporizadores del S7-200 tienen resoluciones (intervalos) de 1, 10 Y 100 milisegundos. Contadores: Los contadores (ZV ó ZVR) son elementos que cuentan los cambios de negativo a positL vo en las entradas de contaje. Entradas y salidas analógicas. Los módulos analógicos convierten valores reales (tensión, tempera_ tura, etc.) en valores digitales en formato de palabra y viceversa. Los módulos analógicos pueden ser módulos de entradas, módulos de salidas, o bien módulos de entradas y salidas. Acumuladores. Los acumuladores son elementos de lectura/escritura
que se utilizan igual que una memoria. Los acumuladores se pueden utilizar por ejemplo para transferir parámetros no sólo a subrutinas sino también a cualquier operación o cuadro (box) parametrizable. Cuando un evento de interrupción provoca un salto a una rutina de interrupción, el autómata programable almacena los valores que se encuentran en el acumulador justo antes de la rutina de interrupción. Los valores se restablecen al finalizar la ejecución de la rutina de interrupción. Los acumuladores se pueden utilizar mientras se ejecuta dicha rutina sin el riesgo de que se modifiquen datos del programa principal. Sin embargo, los acumuladores no permiten transferir parámetros entre el programa principal y una rutina de interrupción.
Contadores rápidos. Los contadores rápidos (HSC) cuentan eventos más deprisa de lo que puede explorarlos el PLC. Los contadores rápidos disponen de un valor de contaje entero de 32 bits con signo (también denominado valor actual). En caso de acceder directamente al valor actual de un contador rápido, dicho valor permite un acceso de sólo lectura. Para poder escribir en los valores actuales de los contadores rápidos existen funciones especiales.
5.3.5.
Interfaces de Entrada/Salida
La misión de las interfaces es establecer un puente de comunicación entre el PLC y el proceso. Estas interfaces pueden ser: Interfaces de entrada: Filtran, adaptan y codifican de forma comprensible para la CPU las señales procedentes de los elementos de entrada. Las señales comunes son: para corriente continua 24V o 48V, corriente alterna 110VAC o 220VAC, señales análogas de O - 10VDC o 4 - 20mA.
los dispositivos que se conectan en los módulos de las entradas son los captadores. Se pueden . erenciar dos tipos de captadores: los pasivos y los activos (ver figura 5.11). captadores pasivos son los que cambian su estado lógico de activado-desactivado por medio de acción mecánica. Ejemplos de estos dispositivos: pulsadores, interruptores, fines de carrera, etc.
-;o
captadores activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados por una tensión que varíen su estado lógico. Este es el caso de los distintos detectores: inductivos, capacitivos, éctricos, etc. Estos dispositivos pueden ser alimentados por la misma fuente que alimenta al PLC.
AUTOMATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
140
TEORÍA Y LABORATORIO
Lógico Programable
(A) 24V
---,
~ ..•.
7"
.-.
-
;
1 -
i
.~.----.
(8) L··' "_.,_~:_~:-_,; •" " .. 'n..···.: ..,_ ,1>
Figura 5.11.
Conexión de captadores en las interfaces de entrada (A) captadores pasivos (B) captadores activos (C) captadores activos PNP. (D) captado res activos NPN
Interfaces de salida: Son las encargadas de decodificar y amplificar las señales generadas durante la ejecución del programa antes de enviarlas a los elementos de salida. Para las salidas se entrega salida por relé, estáticas por TRIAC a 220VACmáx, análogas de O - 10VDC o 4 - 20mA. Se disponen de tres tipos de módulos de salida, como se muestra en la figura 5.12. A relés, a TRIAC y módulo con salida a transistores.
(A) (B)
Figura 5.12.
Módulos de salida del PLC. (A) Salida a relés (B) Salida a transistores
(C) Salida a TRlAC
PLC
P.PClrl%1o
SI
-
II
:G~¡ Figura 5.13.
Ejemplo de conexión de captadores y actuadores a un PlC
Los módulos de salida a relés son usados en circuitos de corriente continua y alterna; están basados en la conmutación mecánica, por la bobina de un relé, de un contacto normalmente abierto.
{
I.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
141
5. Controlador Lógico Programable
t
Los módulos de salidas a TRIACs se utilizan en circuitos de corriente alterna que necesitan maniobras de conmutación muy rápidas. Los módulos de salidas a transistores a colector abierto se utilizan en circuitos de corriente directa y se utilizan en circuitos que requieren conmutaciones muy rápidas.
CARACTERÍSTICAS
CRITERIOS
-DIGITALES DE 1 BIT -DIGITALES DE VARIOS -ANÁLOGICAS
POR EL TIPO DE SEÑALES
POR LA TENSIÓN
DE ALIMENTACIÓN
-DE CORRIENTE
BITs
CONTINUA
(Estáticas de 24¡110VDC) -DE CORRIENTE CONTINUA COLECTOR ABIERTO (PNP¡NPN) -DE CORRIENTE ALTERNA (60¡110¡220VAC) -SALIDAS POR RELÉ (libre ·CON SEPARACIÓN
POR EL AISLAMIENTO
( optoacopladores ) -CON ACOPLAMIENTO POR LA FORMA DE COMUNICACION CON LA UNIDAD CENTRAL
-COMUNICACIÓN -COMUNICACIÓN
POR LA UBICACIÓN
-LOCALES -REMOTOS
Figura 5.14.
5.3.6.
de tensión)
GALVÁNICA DIRECTO
SERIE SERIAL
Tabla que muestra las interfaces E/5 típicas en los PLCs
Fuente de Alimentación
La misión de la fuente de alimentación es proporcionar las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. En los PLCs modulares, que requieren de niveles de tensión y potencias diferentes y están en ambientes de alto ruido electromagnético, se utilizan fuentes separadas físicamente, procurando aislarlas para minimizar el efecto de esos ruidos .
Modelo d" CPU CPU 221
c.
U 221
e
222
-
224
.A.i;;;¡'i~cl6n~~;·;:~~:;~a de la cpu,'~:~I;::::;:~;~"l 0~~
I
!6 x DC 24 V
DC 24 V AC ;2()'~'240 \;." .
.......,,-_...
'~6
8 x DC 24 V
AC 120a240V
8xDC24
'-~-----"~''''-'''''''._,''''~, • AC 120a240V
14xDC24
24xDC24V
226XM
'24xDC • __ • v.,.'.
V •. ""'
226XM
Figura
5.15.
V
. 24x DC24V
..... PU 226 -
V
14x DC24 V
226
1,..
x DC 24 V
DC 24 V
Tabla con especificaciones
•. _M',WA"".
""."
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•••
24 V
: 4 x DC 24 V 1'4
~~lld~;dt3 r;;;"'~"r
... ~.".,,_.~.- ~~.j. 6 x DC 24 V
A~~"~~.".._
de alimentación
~4
6 salidas de relé
>
10x·ciC 24-\/',,·--t ,-
".~.~ _.,._._'
1 O salidas
de relé
._- ~._ ..;,
,
16xDC24 V 16 salida~ ..•
d~-r~i¡-T ·_·.,·_ .•1
16xDC24V
'.'
;24XDC24V
1
16
¡ i _ i
sai¡d~~ d~r~It;--
para la familia de PLCs 5IEMENS CPU 57-200
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
142
La alimentación de la CPU pue e ser continua de 24V o alterna de 110/220VAC. La alimentación de los circuitos E/S puede realizarse según el tipo en alterna a 48/110 /220VAC o continua a 12/24/48VDC (observe la tabla de la figura 5.15) Una única fuente incorporada en el PLC alimenta a la CPU con sus interfaces de E/S incluyendo a los sensores y actuadores.
5.4.
Fundamentos
Continuando con el estudio del PLC, es necesario recordar algunos aspectos fundamentales que fueron estudiados en cursos anteriores de digitales. En un esquema eléctrico rializan usando contactos ver qué estado de señal poder decir al PLC lo que adecuado.
las combinaciones lógicas de las entradas y salidas se mate_ NA y NC. En cambio, un autómata consulta las entradas para tienen, es decir, si hay tensión aplicada o no en ellas. Para debe hacer es preciso aprender el lenguaje de programación
Con un lenguaje de programación ocurre lo mismo que con cualquier idioma; en él se especifican las palabras (en este caso se denominan instrucciones), la ortografía y la gramá_ tica. Usando instrucciones se escribe un programa que se deposita en la memoria del PLC. Este va ejecutando el programa paso a paso: al llegar a su fin comienza nueva_ mente desde el principio. Así, el PLC sabe lo que tiene que hacer. Dependiendo del programa, el PLC conecta y desconecta los actuadores. Los estados CONy DES describen con los conceptos siguientes: Estado O = tensión no presente = DES Estado 1 = tensión presente = CON
Una señal cuyo estado queda definido exclusivamente por dos valores constituye una señal binaria y se designa como bit (bit = Binary Dígit). El BIt es la unidad de una señal binaria, es la menor unidad de información y puede adoptar los estados 1 Ó O. Un Byte está formado por 8 caracteres binarios sucesivos. Así pues, un byte tiene una longitud de 8 bits. En un PLC permite agrupar en un byte de entrada (ES), un byte de salida (AS) los estados de señal de 8 entradas u 8 salidas. De la misma manera que para las entradas/salidas, se tiene byte de marca interna (MS) y de byte de memoria especial (vs). Si se agrupan 2 bytes (es decir, 16 bit) formando una unidad, entonces las 16 posiciones binarias forman una palabra. En el PLC los estados de señal de 16 entradas o 16 sali_ das se agrupan en una palabra de entrada (EW), una palabra de salida (AW), una palabra de marca interna (MW), Ó en una palabra de memoria variable (vw) (Observar la figura 5.15A).
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Prog G ~. <:
1011
L
"' palabra = 2 by1e = 16 bit
143
1
I I I .'.
III~ Byte 2
1 dobl~ palabra = 4 byte = 32 bit
Palabra
----Palabra Figura 5.15A.
2
a
.1
Formato de los distintos códigos numéricos
Si finalmente agrupamos 2 palabras, obtenemos una doble palabra que estará formada por 32 bits. Los PLCs permiten trabajar con dobles palabras de entradas (ED), dobles pala_ bras de salidas (AD), dobles palabras de marcas internas (MW), y dobles palabras de memo_ ria de variables (vw).
5.4.1.
Sistemas Numéricos
La característica de los sistemas de numeración decimal es la disposición lineal de los dígitos. Por ejemplo, el número 1996 puede representarse como: 1996d = 1 x 103 + 9 X 102 + 9 X 101 + 6 x 10° La base del sistema decimal es la disponibilidad de 10 dígitos diferentes; se puede contar de o a 9 y para un número mayor, se corre un lugar a la izquierda. El dígito del extremo derecho se conoce como el dígito menos significativo y el dígito del extremo izquierdo es el dígito más significativo. La base del sistema es 10x. El sistema de numeración binado, conformado por dos dígitos tiene las mismas reglas que el sistema decimal; fue Leibnílz quien aplicó por primera vez las estructuras del siste_ ma decimal a cálculo con dos dígitos. Estos dos valores se representan en forma de dos dígitos: o y 1. El sistema numérico binario está limitado a dos dígitos por posición, así que la posi_ ción significativa se calcula con la base 2x; por ejemplo, el número binario 1001011 se puede expresar como:'
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL; TEORÍA Y LABORATORIO
144
5. Controlador Lógico Programable
Por tener sólo dos dígitos este sistema se conoce como sistema binario o dual. Por ejemplo, el número binario: 111111112 equivale al número decimal: 1X
27
+ 1X
26
+ 1X
25
+ 1X
24
+ 1X
23
+ 1X
22
+ 1X
21
+ 1 x 2° = 25510
Que es lo mismo que: 28 - 1 = 255. Este número binario con ocho posiciones recibe el nombre de 1 BYTE. Así que un BYTE es un número binario de 8 BITs. El código decimal codificado en binario (SCD: Binary Coded Decima~ es una representación numérica de más fácil lectura, es decir, una notación decimal codificada de un núme_ ro binario; en este código cada dígito decimal se representa con un número binario de 4 BITs (4 BITs es un nibble)
Sd - 0101b 6d - 0110b 7d - 0111b 3d -1000b 9d -1001b
Od -OOOOb
ld -OOOlb
2d -0010b
3d-OOllb 4d -0100 b
Por ejemplo el número decimal: 2006 se representa en BCD como: 2006d = 0010000000000110 BCD Otros dos sistemas numéricos bastante utilizados en los hexadecimal. En el sistema hexadecimal
PLCs
son el sistema octal y
la base es 16, así que su sistema tiene los siguientes dígitos:
1, 2, ..., 9, A, B, C, D, E, F, en donde: A = 10d, B = 11d, C = 12d, D = 13d, E = 14d, F = 15d. Por
ejemplo, el número hexadecimal 3A5Dh es equivalente al número decimal: 3 x 163 + 10 X 162 + 5
X
161 + 13 x 16° = 14941d F-
En el sistema octal la base es 8, así que los dígitos van del o al 7, entonces el número 83450 no es posible, pero el número 73450 si y su equivalente en decimal es: 7x
83
+ 3
X
82
+ 4
X
81
+ 5 x 8° = 3813d
Los números tratados hasta ahora son enteros y positivos. Para los números negativos se decidió establecer que el BIT más significativo de un número binario se utilice para representar el signo, así: o corresponde al + y 1 corresponde a -. Entonces el número binario: 1111 11l1b equivale al decimal -127d y el binario: 0111111b es el decimal +127d. Para un número binario de 16 BITs (2 BYTEs), se tiene:
Jnteger
Range of vaJues
unsigned signed
Figura 5.16.
-32758
()
-::2767
Números enteros con signo¡ sin signo
145
Para representar un número real en notación binaria, el número se descompone en dos grupos, una potencia de 10 y un factor de multiplicación. Es la notación científica de números. I I ! .
Para los PLCs, los números reales (o números en coma flotante) se representan como número de 32 BITS (palabra doble) de precisión sencilla, conforme al formato descrito en la norma ANSIjIEEE 754-1985. V.GE
31 ~~
Io I
25 22
"
Figura 5.17.
I
Mant:r,.;.
Formato para los números reales
La lEC 1131-3 define un número de tipos de datos para diferentes tareas. Una de ellas se conoce como BOOL, ya mencionada como BIT. Una variable BOOL asume el valor o o el valor 1. La tabla de la figura 5.18 presenta todos lo datos numéricos con que traba_ jan los PLCs.
o-32768 -128 127 SIGNO -21474836482147483647 ENTER DOBLE SIN SIGNO CON ENTERO SECUENCIA 1 65535 8BITs 32767 16O 32 4294967295 255 42949677295 BIT BITs CORTO DE 8 16 SON SIN BITs BITs SIGNO SIGNO CARACTER REAL. 32 CON BITs DE PUNTO LONGITUD FLOTANTE LÍMITE INFERIOR SIGNIFICADO PALABRA NÚMER O BOOLEANO DOBLE, 32 BITs +1-2.9E-39 +!-3.4E+38 ESPACIO LÍMITE SUPERIOR DE TIPO VARIABLE
Figura 5.18.
5.4.2.
NO RANGO
Tablas con los distintos tipos de números utilizados en los PLCs
Señales Digitales y Análogas
Todos los PLCs funcionan utilizando señales digitales o binarias. Se entiende por binaria, una señal que sólo reconoce dos valores: o, 1, o bajo, alto. Estas señales pue_ den obtenerse fácilmente con dispositivos de conmutación, así, un interruptor cerrado corresponde a una señal binaria «alta», y si el interruptor está abierto, la señal binaria correspondiente es «baja». Por esta razón hay que establecer ciertos niveles de tensión que definan estos dos estados.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
146
5. Controlador Lógico Programable
•j
(A)
-J..
Figura 5.19.
~
(A) Señal
Señales binarias y digitales:
(B)
binaria
(S) Niveles de voltaje para señal digital
IECl131-2¡ define un margen de valores de -3V a 5V como señal de lógica cero y de llV a 30V como señal de lógica uno (observela figura 5.19). Estos niveles son obligatorios para los PLCsque se acojan a la norma. En algunos PLCs¡se establece como lógica cero un nivel de voltaje desde -30Va +5V y para lógica uno¡ desde +13V a +30V. Para las señales de entrada/salidas análogas¡ aquellos PLCsque están en capacidad de manipular ese tipo de señales¡ incorporan ciertas funciones de software específicas para tratarlas y permiten controlar valores máximos y mínimos de ciertas variables del proceso¡ realizar cálculos aritméticos¡ desarrollar funciones complejas para control PID(Proporcional-Integral-Derivativo) aplicables a servo válvulas¡ servo-motores¡ control de temperatura¡ presión etc. Entonces¡ para el tratamiento de señales análogas¡ el primer paso es convertirlas a señales digitales¡ bien sea en forma binaria o codificada en BCD; si el PLC debe suministrar al proceso variables o señales de regulación continuar se hará interna_ mente la conversión contrariar es decir; de binario a análogo. Este proceso¡ se realiza al interior del PLCcomo se ilustra en el diagrama de la figura 5.20.
PLC V>
'"
~ o 0-+ ..J
D-
~ r -, <
'c:{ ti)
o'"
I
u tO
-o ..J '" Z '" V> '"
CONVERTIDOR MUlTIPLEXOR
. ANALOGICO
~
,
AtO
CPU
~
DIGITAL
1__
L._.I
~0-
Cl
~ '" V>
SELECCIÓN
Figura 5.20.
DEL CANAL
Tratamiento
de las señales análogas en el
PLC
Las señales proporcionadas por el proceso a las entradas del PLCson diversas¡ con rangos de variación diferentes y deberán aplicarse en la salida a distintos tipos de reguladores; esto implicaría disponer de un número grande y variado de interfaces¡ especiales para cada caso.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
147
5. Controlador Lógico Programable
Con objeto de poder disponer de interfaces estandarizadas, parte de la manipulación de la señal se realiza exteriormente al PLC mediante adaptadores de señal específicos y de uso más o menos estandarizado dentro del campo de la instrumentación, de manera que la señal del sensor se convierte en una señal de tipo normalizado que suele ser de uno de los siguientes tipos: -
señalesde Oa lOV señales de O a 5V señales de O a 20mA señalesde 4 a 20mA.
Una de las variables más comunes, o interfaces específicas es la detección de tempe_ ratura. Esa detección se realiza por procedimientos muy diversos, pero, en general, en forma indirecta, midiendo el cambio de alguna propiedad física, como resistencia o dilatación, cuyo cambio se produce por temperatura. Los sensores más utilizados son los termoparesy las termo-resistencias PtlOO. INTERFAZ DE
DI.GITAL: CONTR.OL ON/OFF ANAlOGO: CONTROL PIO
ALARMAS .~~
FUERA
•
ROTURA HILO
DE
RANGO
Figura 5.21.
Lazo para el control de temperatura
Los termopares (recordando el curso de instrumentación) están basados en el efecto Seebeck, que consis_ te en la generación de una tensión de contacto que aparece entre dos metales unidos por un extremo (unión caliente) cuando se somete este extremo a una cierta temperatura, mientras que los otros extremos (unión fría) se mantienen a una temperatura inferior. Metales típicos utilizados en la construcción del termopar: NiCr-Constantan, Fe-Constantan, NiCr-Ni, MTRH-Pt, Cu-Constantan. La tensión de contacto que se genera en el termopar depende de la diferen_ cia de temperatura entre las dos uniones:
v = f(Tc - Tf) Las termo-resistencias PtlOO están basadas en el aumento de resistencia que presenta un conductor con la temperatura, según una ley del tipo: Rt = Ro[l
+ ()«(Tt - To)]
Con ()(denominado el coeficiente térmico de resistencia.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEO
y LABORATORIO
148
5. Controlador Lógico Programable
Siendo las termo-resistencias elem os paso os, necesitan una tensión exterior para suministrar una señal variable según la temperatura a e estén sometidas. Esta alimentación puede consistir en una fuente de corriente constante, de forma q e la tensión leída en extremos de la resistencia se convierte en una medida directa de la temperatura (conexión a cuatro hilos), o una tensión medida en un puente de Wheatstone, con la Pt100 colocada en uno de sus ramas.
La interfaz entre el adaptador al PLC y el sensor (figura 5.21) incluye todos los elemen_ tos auxiliares necesarios para su conexión tales como: compensación de unión fría para entrada del termopar o puente diferencial/fuente de corriente para la conexión de la puoo a tres o cuatro hilos. Además, el tratamiento de las señales comprende: la Iinealización de la respuesta segun el tipo de sensor, la vigilancia de los valores límites de rango de entradas y la conversión de la medida al código binario que se entrega a la CPU. Las tarjetas señalizan los defectos de funcionamiento (señales fuera de rango o rotura de hilo), mediante LEDs incorporados, además de activar ciertos BFTs internos que son enviados a la CPU junto con la conversión A/D realizada. f""-
5.5.
Programas de Control
Los Programas de control representan un componente importante en un sistema de automatización; deben ser diseñados sistemáticamente, bien estructurados y completamente documentados, para que sean: • • •
Libres de errores Fáciles de mantener Económicos.
Una propuesta para el desarrollo de un programa en
PLC
se muestra en la tabla de la
figura 5.22.
1
- VERBAL DESCRIPTION
SPECIFICATION
DESIGN
3 REAUZATION
4
.
- PROGRAf-1MING IN LD, FBD, IL, ST ANO SFC - SIMULATION OF SUBPROGRAMS ANO OVERALL PROGRAM
- DESIGN
COMMI'SSIONING
5.22.
TASK
- FUNCTION CHART TO lEC 843 - FUNCTION DIAGRAMS SUCH AS DISPLACEMENT STEP DIAGRAM - FUNCTION TABLA - DEFINITION OF SOFTWARE MODULES - PART UST ANO CIRCUIT DIAGRAM
2
Figura
OF CONTROL
-TECHNOLOGY, POSITIONAL SKETCH - MACROSTRUCTURE OF CONTROL PROGRAM
- TESTING - TESTING
OF SYSTEM OF SUBPROGRAl'15 OF OYERALL PROGRAM
Modelo de las fases para el desarrollo de un programa en PLC
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
149
5. Controlador Lógico Programable
La división en secciones definidas, conduce a un funcionamiento sistemático y objeti_ vo y proporciona una disposición de resultados que puede verificarse respecto con la tarea realizada. El modelo de fases consiste en las siguientes secciones: 1. Especificación: Descripción de la tarea 2. Diseño: Descripción de la solución 3. Realización: Puesta en práctica de la solución 4. Integración/puesta a punto: Incorporación en el entorno y verificación de la solución, que básica_ mente pueden aplicarse a todos los proyectos técnicos. Se producen diferencias en los métodos y herramientas utilizados en las fases individuales.
El modelo de fases se puede aplicar a programas de control de cualquier complejidad. A continuación se describe cada una de las fases. 1. Fase de especificación: Fase en donde se formula el problema. descripción detallada y precisa de la tarea de control a realizar.
En esta fase, se presenta una
La descripción específica de la función del sistema de control, formalizada al máximo, revela cualquier requerimiento conflictivo, especificaciones incompletas o equivocadas. Al final de la fase se dispone de: • • •
Descripción escrita de la tarea de control Estructura y distribución Macro estructuración del sistema o proceso y una vista de la estructura de la solución.
2. Fase de diseño: Se formaliza el concepto de la solución. Un concepto de solución se desarrolla basándose en las definiciones establecidas en la fase 1. El método utilizado para describir la solución debe proporcionar un gráfico y una descripción orientada al proceso, a la función y comportamiento del sistema de control y debe ser independiente de la realización técnica. Estos requerimientos se cumplen con el diagrama de funciones según se define en la norma lEC 848: se empieza con una representación de una visión de conjunto del control (esbozo de la estructura de la solución), la solución puede perfeccionarse paso a paso hasta que se obtenga un nivel de descrip_ ción que contenga todos los detalles de la solución. En el caso de tareas de control complejas, la solución es estructurada en paralelo, en módulos de software individuales. Estos módulos de programa realizan las etapas de trabajo del sistema de control y pueden ser funciones especiales tales como: interfaces para la visualización del proceso, sistemas de comunicación, etapas de trabajo recurrentes permanentemente, etc. 3. Fase de realización: Se realiza la programación del concepto de solución. Este concepto de solu_ 'ción en un programa de control, se realiza a través de los lenguajes de programación definidos por la norma IECl131-3. Pueden ser: diagramas de funciones secuencia les, diagrama en bloques de función, diagrama de contactos, lista de instrucciones y texto estructurado. En la medida en que los sistemas de programación de los PLCs lo permitan, los programas de controlo parte de ellos, deberían ser simulados antes de la implementación real. Esto permite la detección y eliminación de errores. 4. Fase de puesta a punto: fase de construcción y verificación de la tarea de control. Esta fase verifica la interacción del sistema de automatización y la planta conectada. Para tareas complejas, es recomendable poner a punto el conjunto de forma sistemática, paso a paso. Los fallos, tanto en el sistema de control como en el programa de control pueden hallarse y eliminarse fácilmente.
AUTOMATIZACIÓN
5. Controlador
INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO
150
Lógico Programable
Documentaciórr. Un componente im nte y crucial de un sistema es la documentación, ya que es un requerimiento esencial para el man-enimiento y ampliación de un sistema. La documentación, incluyendo los programas de control, debería estar disponible tanto en papel como en un soporte de almacenamiento de datos. La documentación consiste en la información sobre las fases individuales, listados del programa de control y de cualquier información adicional posible concerniente al programa de control. La documentación mínimo debe contener: • • • • • • •
5.6.
Descripción del problema Croquis de situación Esquema del circuito Esquema técnico listados del programa de control en SFC, FBD, etc. Lista de asignaciones de entradas y salidas Documentación adicional
Lenguajes
de Programación
del PLC
define seis lenguajes de programación para los PLCs. Aunque la funcionalidad y estructura de estos lenguajes es muy diferente, sin embargo, son tratados como una sola familia, con elementos de estructura (por ejemplo: declaración de variables, funciones y bloques de función, ete.) y elementos de configuración comunes. IEC1131-3
Los lenguajes son: 1. Diagrama de escalera o diagrama ladderLD (LD: Ladder Diagram) 2. Diagrama de bloques de función (FBD: Function Block Diagram) 3. Listado de instrucciones (IL: Instruction List) 4. Diagrama de funciones secuencíal(SFC: Sequential Function Chart) 5. Texto estructurado (ST: Structured Text) 6. Diagrama de funciones continuas (CFC: Continuous Functions Chart) Una descripción rápida de estos lenguajes (posteriormente siguiente:
1. El Diagrama de contactos
o Diagrama
se profundiza en cada uno de ellos) es la
en escalera (Ladderdiagram)
LO
El Diagrama de contactos es un lenguaje de programación gráfico derivado de los esquemas de circuL tos de los mandos por relés directamente cableados. El diagrama de contactos contiene líneas de alimentación a derecha e izquierda del diagrama; a estas líneas están conectados los regiones, que se componen de contactos (normalmente abiertos y normalmente cerrados) y de elementos de bobina.
2. Diagrama de bloques de función (Function block diagram)
FBD
En el diagrama de bloques de función, las funciones y los bloques de función están representados gráficamente e interconectados en redes. El diagrama de bloques de función tiene su origen en el diagrama lógico que se utiliza en el diseño de circuitos electrónicos digitales.
3. Lista de Instrucciones (Statement list o Instruction Líst)
IL
La lista de instrucciones es un lenguaje textual tipo assembler, caracterizado por un modelo de máquina simple (procesador con un sólo registro). La lista de instrucciones se formula a partir de instrucciones de control consistentes en un operador y un operando.
,
,.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
151
5. Controlador Lógico Programable
En lo que se refiere a filosofía de lenguaje, el diagrama de contactos, el diagrama de bloques de función y la lista de instrucciones han sido definidos en la forma en que son utilizados en la actual tecnología de PLC. Sin embargo, están limitados a las funciones básicas en lo que concierne a sus elementos. Esto los aparta esencialmente de los dialectos que las empresas utilizan en la actualidad. La competitividad de estos lenguajes es mantenida debido al uso de bloques y bloques de función.
4. Diagrama de funciones secuencia/ (Sequentia/ function ehart) SFC El diagrama de funciones secuencial (casi idéntico al GRAFCET francés) es un recurso de lenguaje para la estructuración de los programas de control orientados a secuencias. Los elementos del diagrama de funciones secuencial son las etapas, las transiciones y las derivaciones alternativas y en paralelo. Cada etapa representa un estado del proceso de un programa de control, que se halla activo o inactivo. Una etapa consiste en acciones que, al igual que las transiciones, están formuladas en los lenguajes lEC 1131-3. Las propias acciones pueden contener de nuevo estructuras secuencia les. Esta característica permite la estructura jerárquica del control. Por lo tanto el diagrama de funciones secuencial es una herramienta excelente para el diseño y la estructuración de programas de control.
5. Texto estructurado (Structured text) ST El texto estructurado es un lenguaje de alto nivel basado en Pasea!, que consiste en expresiones e instrucciones. Las instrucciones pueden definirse principalmente como: Instrucciones de selección, tales como IF ...THEN ... ELSE, etc., instrucciones de repetición tales como FOR, WHILE etc., y llamadas a bloques de función. El texto estructurado permite la formulación de numerosas aplicaciones, mas allá de la pura tecnología de funciones, tales como algoritmos (algoritmos de regulación de nivel superior, etc.) y manejo de datos (análisis de datos, procesamiento de estructuras de datos complejas, etc.).
6. El diagrama de funciones continuas (Continuous Functions Chart) CFC El editor de la carta de funciones continuas no opera como un diagrama de bloques de función FBO; este editor permite que las redes interconectadas tengan realimentación. En las secciones siguientes se detalla cada uno de estos lenguajes. Los tres primeros lenguajes (LO, FBO, IL) se explican en esta sección. En las siguientes secciones se estudian los lenguajes SFC, STo
5.7.
Lenguajes: Ladder, de Bloques Funcionales y Listado de Instrucciones
Son los lenguajes más comunes que se encuentran en la mayoría de los PLCs (más particularmente el /adder y listado). Como se mencionó, el /adder es un lenguaje gráfico que se utilizó en los primeros PLCs por su equivalencia con los relés electro_ mecánicos; aún actualmente se utilizan, y en algunos PLCs, es el único lenguaje dispo_ nible. En el capítulo anterior se utilizaron estos diagramas, así que no se profundizará más en su estudio. El diagrama de bloques funcionales es una representación de los circuitos digitales, sólo que presentados en bloques.
152
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
La figura 5.23(A) muestra un ejemplo sencillo de un circuito eléctrico con un pulsador de inicio, pulsador de parada, contacto para sostenimiento y la carga. La figura 5.23(B) muestra el diagrama laddeí. la expresión algebraica de ese circuito es: CARGA = (INICIA
PARA.
o CARGA) y
NO(PARA)
[
N:(~I
l!""
CAHGA
INIClA~R
PARA
ANO
CARGA o;'
CARGA
Figura 5.23.
(e)
(B)
(A)
Ejemplo con
(A) Diagrama
eléctrico (B) Ladder
(C) Bloques
de funciones
El funcionamiento del circuito se explica así: tal como aparece en la figura 5.23(A), la CARGA está desenergizada. Cuando acciona el pulsador INICIA se establece corriente entre las fases de alimentación y la CARGA se energiza, cerrando el contacto propio del contactor CARGA. Este contacto cumple la función de autosostenimiento de energía; es así que al liberar el pulsador INICIA, la carga permanece energizada. Para desconectar la carga, se acciona el pulsador PARA, interrumpiendo la corriente entre fases y desconectando la carga. Entonces, el pulsador INICIA es un accionamiento de arranque y el pulsador PARE es un acciona miento de parada de proceso y de emergencia (cumple las dos funciones)
El diagrama en bloque de funciones expresa exactamente la función algebraica, pero en bloques, como se muestra en la figura 5.23(C). Como se mencionó, el lenguaje listado de instrucciones es del tipo assemblery se com_ pone de dos partes básicas: un operador que es una expresión en inglés y el operan_ do y, si se desea, un comentario. Para el circuito de la figura 5.23(A), el listado de instrucciones queda:
~--f i ! l
Label
Slart
¡( J
modifiorand Operator
LD OR ANDN
ST
Comment
[ Opé:~rnl1 INICIA CARGA PARACARGA
I/Lee (lO) l/Hace
la
entrada IMelA
OR con CARGA
l/Resultado.
hace A ••••• 'O negada con PARA la almacena
/ ¡la opcración anterior I/(Sr)
en CARGA
En la operación ANDN, N es un modificador que indica un contacto negado. En la figura 5.24 se presenta la simbología utilizada por los PLCs Siemens y ASB, en donde se incluyen los símbolos normalizados por IEC1131-3 para los lenguajes Ladder (en el PLC Siemens se reconoce como lenguaje KOP), bloques de funciones (identificado en Siemens como FUP) y listado de instrucciones (en ambos PLCs se identifica como lenguaje AWL).
'"-"
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
Lógico
KOP
fUf !<.1
PLCSIEMENS
-j
Bít-D-
fSi<
fUP
KOP
Sit
-{)
PLC ABB
-j/f-
Mod.IL Store Load N value aclual var1 to in var1 buffer Bitwise exclusive OR OR Bilwise ANOofresull Deseription Bitweise NOT Sel boolean operand Set boolean opernnd bool"ar boo)var exactly ex¿¡ctly then then to N.( N,( inAWL FALSE.when \Vllenlhe theactual "clual result resuil;s TRUE TRUE. ls TRUE
Bi,
ANO ST LO var1 R boolvar boolvar S NOT XOR OR
BitrC}-
-j1f-
Si,
Bit
-{ ! )
-j /1 f-
Bit
-{ Ns
153
Programable
Bi'tD-
1
Bit
-{ SIl N}
-jNfRWL
Lo
Bit
LOl
BIt
A
Bit
(1
Bit
81
Bit
LDNI 8N{ ONl
Bit Bil Bit
01
LOI1 8il RWL
fiN
Bil
Bit
Bit
=1 Bit
QN
IlIt.N 8i1.11
SI Bi,,11 Po! Bit. H
NOT
Bil
EU
E~
Figura
5.24.
Simbología de operaciones básicas en lenguaje LADDER, FBD, IL, para los PLCs SIEMENS
y ABB
Ejemplo 5.1 Al siguiente circuito eléctrico expresarlo en lenguajes ladder, listado y bloques de funciones.
'J=¡' [~
n Fl S3
j--"J
t-J
KM]~
.1"J
,~,\h i
i
l",fl I
KM3
KAÓ
I
I
10
Figura
5.25.
Circuito eléctrico para el ejemplo
11
12
5.1
Solución El circuito eléctrico contiene tres cargas principales (KM1, KM2 Y KM3), tres relés auxiliares (KA1, KA2 Y KA3), seis pulsadores abiertos (51, 52, ..., 56) Y un pulsador de parada SO. Al analizar el funcionamiento del circuito, se deduce que el orden de arranque y apagado de los contactores es estricto, siguiendo el siguiente orden: Arranque: KM1, KM2, KM3. Apagado: KM3, KM2, KM3. (Dibujar la carta de estados del proceso). Los gráficos de la figura 5.26 están basados en el PLC Siemens.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
154
Lógico Programable
NC!hliO,k
1
KM1
= (51 + Kr~1) So KA3
'~I
SI
LO
o
'" '"
S'
t~,rS:t-1'~"~W)
Sl9[JN'lOrJAl YA)
Nerwo,k:!
KM2
SO
,~, '''"'3
= (52 + KM2) KM1 KA2 lO
!:'-l2:
KM3
'''"''
AN
,...,
Netwo,k3
'''''
..
S:9D.~m ~"
t:r·'~7f-<-'
S2 KM'
O rJ.41
KM'
= (53 + KM3) KM2 KA1 S3
lO
t:,r
';1 ~
.~') = (KM3 54 + KA1) KM1 KMZ
KA1
t:~·'~-f-<~l
lO
KM'
A O
S<
,.
lO"
A
Y.M:¡'
'''"'' f;,l,l
Nel'olo,k5"
KA2
= (KMZ KA1 55 + KAZ) KM 1
1~1
~ f~
r.MZqqQ0 OR
KI.41
KAl
:2
A
1:...'111
-
A
00
diagrama FBD (centro),
DR
so
Ustado
KM2 ,'.Al
= (KAZ 56 + KA3) so
~
""~o
.l>.
~
/.ND 1:A2l[1 KA3
Diagrama ladder (izquierda),
1~2 ""
KM]
Nl!twor"~
Figura 5.26.
YJO
O A
'"
ANO
¡;,toJ
S6
o
A.>l
rA3 so
LD •
KA2 AA3
IL(derecha)
para el circuito del ejemplo 5.1
Fin ejemplo 5.1
Algunos aspectos que se deben tener en cuenta al desarrollar un programa en el lenguaje gráfico Ladder: 1. El diagrama se subdivide en segmentos. En algunos PLCs se denomina Network, en otros se les indica como RUNG. En cada segmento debe haber una carga con su respectivo circuito lógico 2. El nombre de una carga debe aparecer en un solo segmento. debe aparecer una vez como carga, no repetirse. 3.
Por ejemplo, la carga KM1 sólo
No puede haber dos cargas en serie en un segmento.
4. Generalmente en un circuito, se consideran los relés auxiliares o marcas. Estas marcas se pueden utilizar como cargas y como contactos. En el circuito analizado las marcas se indicaron como KA. En los PLCs Siemens, las marcas se identifican como M (ejemplo: MO.5) en los PLCs ABB y Telemecanique se identifican como %M (ejemplo %M10.5), en los PLCs FESTO se conocen como F (ejemplo F2.3). Igual que con las cargas principales, una marca colocada como carga no se puede declarar más de una vez. 5. Considerando el ancho de un segmento como un 100%, la zona de contactos se ubica en el 75% de ese ancho a la izquierda (zona de comprobación), mientras que la carga ocupa un 25%, siempre colocada a la derecha (zona de acción). Cuando la carga es la bobina de un relé o contactar, por ejemplo %QO.1, algunos contactos de este dispositivo se utilizan. Cuando el circuito requiere más contactos de los que posee el contactar, es· necesario recurrir a los relés virtuales (las marcas), ya que para este tipo de «carga virtual» el número de contactos es ilimitado.
155
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
Lógico Programable
°IÓID.l
/----+
11-----------------< ZONA DE ACCION
ZONA DE COMPROBACION
Figura 5.27.
5.7.1.
Zonas de trabajo en el diagrama Ladder
Combinaciones AND-OR Considerar la situación ilustrada en la figura 5.28.
Figura 5.28.
La expresión algebraica es:
Combinación
AND-OR
HOT = Si S2 + Si S2
Se observa en la ecuación una combinación de funciones combinación se dispone de dos técnicas. 1. Utilizando paréntesis, el listado de instrucciones o
3421
IL
ANO
y
ORo
Para resolver esta
queda:
LD ANDN i>,l.TD ST S1 ) OR(N 52 [Vl0T
5
En la línea 2, al hacer la operación
OR
abre paréntesis. En la línea 4 se cierra.
2. Otra técnica es utilizar algunas instrucciones especiales. Para el instrucciones se identifican como: ALDy OLD. LD
A MI OLD LDN
PLC Siemens
estas
51 52 MOT
El método consiste en separar las dos líneas que tienen la operación unen con la instrucción OLO.
ANO
y luego se
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
156
5. Controlador Lógico Programable
El diagrama de bloques funcional para el /adder analizado, se muestra en la figura 5.29. Sl S2
Figura 5.29.
OF,
M-.JD ,ANO
tvl0T
81
Diagrama FBD para el diagrama de contactos de la figura 5.27
Ejemplo 5.2 Escribir el listado de instrucciones para el diagrama /adderde la figura 5.30.
Figura 5.30.
Ladder para el ejemplo 5.2
Solución La Figura 5.31 muestra los listados de instrucciones utilizando la técnica de los paréntesis (arriba) y la técnica de las instrucciones especiales (abajo). Se tiene la expresión algebraica del segmento. En la Figura 5.32 se muestra el diagrama bloque de funciones para el /adder analizado.
11 78 35 421
.~.NDKI'.il P4 p.Nn !
10 14 15 12 i3 69
KA2 = Pl (KAl KMl P2 + KA2) (P3 KA3 + KM2) (P4 + KA4 KA5)
lo
I~~ LD A
L1l.1 YHl
j
1'.
F2
¡
I1ID --P-1 ~ i 1
¡ o
12
13
17
1516
114115
19110
1>~r-1 1t<=-X<::r ) L
w
~
P2
la
~
L
~
~
t2
In
~
KJ>.2
I ztD
I A
¡ ~LD I
11
LD
I
~D l OLD
P3 KA3 KM2 P4
F.LD
---->
~~~
I¡rrn=D
L~D A OflLO .'. o I KA2 = Pl (KAl KM1 P2 + KA2) (P3 KA3 + KM2) (P4 + KA4 KAS)
!
ALD 1..~:: __
~~.~ ..".J
Figura 5.31.
listados
para el diagrama Ladder de la figura 5.30 utilizando las dos técnicas:
Cuadro de arriba: listado usando paréntesis.
Cuadro de abajo: listado usando las instrucciones
ALD y OLD
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO Controlador Lógico Programable
157
AUTOMATIZACIÓN
5.
Pl K"".l
ANO
KA2
OR
,A.NO
Ktv11
P2 K"".2
OR
P3 KA3 Kt,,12
P~
OR
KA4 KA5
Figura 5.32.
Diagrama FBD para el Ladder de la figura 5.30
Fin ejemplo 5.2
Ejercicio 5.1 1. Escribir el listado de instrucciones y dibujar el diagrama FBD para los siguientes diagramas /adder (por ahora no tener en cuenta los nombres que se han asignado a los contactos y cargas): 1.1. MO.O
10.0
/
MO.l
:c;' 10.3
:t;' T M1.1
MO.2
1---1/
I
V4.6
10.5
SMO.3
/1I__
I
I-(END)
1.2. M1.7
I
MO.7
QO.1
f--{ )
MOJ,100- T37¡,AO.O-
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA
159
Y LABORATORIO
5. Controlador Lógico Progra a e 2..2.
LD
%10.1
AND( ANDN
%10.2
A..l\'D
%1'1'13
oR(
%1'1'12
A!'l"D(N
%103
A.l"i"D
%1'1'14
%l\fl
oR(
O/oQO.I
A..ND(N
l!kl103
oR(
%IOA
.'\NDN
0/'111'1'11
) )
) )
) ) ST
°/ÓQO.l
3. Los siguientes son diagrama de bloques de funciones. Deducir los listados de instrucciones y el diagrama /adder correspondientes. 3.1.
---
f-f--
ANO .ANO OP, OR ~OR ANO OR ANO .A.I'-JO OR ANO SI..,13.6
<: 811'10.5Sh~5.0
00.2 10.2
MOA V4.5 1',·10.0
;1011.7
10.0-
001
AUTOMATlZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
160
5. Controlador Lógico Programable
3.2. 10.0
OR 1,10.6 MO.7
1·,00
10.i 1,10.3 1,,10.1 00.2
Ai'JO
00.2
OR
ANO
OR
IvfO.6
ANO
1,,10.5
vo.o
OR
OR
ANO
10.1
M1.1
ANO
1v11.0
V200.7 10.~
Fin ejercicio
5.7.2.
5.1
Operaciones de Pila Interna Considere el diagrama /adderde la Figura 5.33.
I O~IO.l
%102
°hID3
l' ~L:r~ ~ H"IO·1
I
l:!·'ÓMl
o/OQ~
f-1 Io-----
1-rtJ------
";10.1
~"IO.2
Figura 5.33.
OA>h>1
r¡-rL:rW r---1 r¡----< -'
~"IO.2
l' ~ ~"h~·
OA>M2
0/oM3
~"M2
CIRcurrol
CIRCUITO 2
OA>Q~
I
CIRCUIT03
Diagrama Ladder con circuito común para varias cargas
Tiene tres segmentos y en cada uno finaliza en una carga, que es lo normal. Observe que cada uno de los segmentos tiene tres contactos que tienen igual disposición. El listado para esos tres contactos en las dos formas: con instrucción y con paréntesis
es:
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
158
Controlador Lógico Programable
1.3. 10.0
IDA
00.1
M04
1:
"""11-----.1
MO.6
002
f---{ )
10.1
0~2
HO.l
I
I
1
1--1
M 1.1
---<
\1200.7
2.
Los siguientes son listado AWL, dibujar el diagrama ladder y FBD correspondiente.
2.1.
....
A
OlD AlD
A HO.2 10.2 A AlD O V200.5 HO.J lDN ~;HO.1 lDH HO.5 AlD In H2.6 H2.2 U.1 HO.O H2.5 lD HO.4 HO.1 10.0 lD OlD OlD 10.1 00.1 00.2 00.1 ()(I ..1 O 1.
lD
OlD lDH lDN AlD
In. O
SHO.3
111 . J
AN OlD AlD OlD
H5.2
lD
H6.1 SHO.O SHO.1 H5.3 H5.1 H6.2 00.3 HO.1 l4.1 H6.3
AN OlD AN A
H2.J H2.4
lD
10.1 10.0
lD
H2.5 H1.3 1-12 . 3
10.1 00.2
H4.0 H4.1 H5.1
lDN AN A
OlD AlD AN OlD AlD AN
(~ (",
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
OR LO LO %IO.2 OR ALD %Ml %IO.l %Ml %IO.l ANO( %IO.2 1 LO
423
161
)
Entonces, se pueden colocar las 5 líneas, adicionar los contactos restantes y terminar en cada una de las cargas, o la otra alternativa es, unir las cuatro líneas comunes y de allí derivar las tres cargas. Esto es posible utilizando algunas instrucciones espe_ ciales. El nombre de las instrucciones depende del PLC, así, para el PLC Siemens las instruc_ ciones se conocen como: LP5, LRD, LPP. En PLCs Telemecanique, Mitsubishi las instruccio_ nes se identifican como: MP5, MRD, MPP. Estas memorias intermedias se denominan pilas y se aplican en la siguiente forma: Se desarrolla el circuito lógico que es común a todos los circuitos. Para el ejemplo considerado, la operación lógica común a los circuitos va desde la línea O a la línea 3 del listado de instrucciones (observe el listado de instrucciones anotada en la figura 5.34). Aquí se llama la instrucción MPS; entonces esta instrucción almacena la operación lógica común a los circuitos y además indica que se inicia la aplicación de memoria inter_ media.
18 ~.ND( 4 •
CARGA 12 . PRII\1ERA OR%1<1 CIRCUITO COrvlúN ~.ND %1<3 %1<2 ST MPP ST %10.2 %10. o 6 511 MPS ANO OR%10.2 %H2 MRD %10.3 %QO.2 CARGA ~.NO( r-AND( %QO.1 ) %1<1 SEGUNDA )-AND%1<1 ) CARGA TERCERA
. corv¡ú~
OR
400.2
.~~1 ,1. .
~IRCUITO
~l:~~ :~I 14 CIRCUITO ( 9
PRIMERA
MPS
8
%QO.1 (
LD
7
CARGA
Figura
5.34.
Diagrama Ladder y el uso de las instrucciones
MPS, MRD, MPP.
Lo que se hace a continuación es (seguir la figura 5.34): Para el primer circuito, se opera lo que tiene almacenado la memoria MPS y se desa_ rrolla la operación lógica que sigue para terminar en la primera carga. En el ejemplo, esta operación va de la línea 5 a la línea 7.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
162
Lógico Programable
Para el segundo circuito, se utiliza la segunda instrucción MRD y lo que hace la instrucción es traer lo que tiene almacenado la instrucción MPS y luego se efectúa la operación lógica del circuito 2 para terminar en la segunda carga. Esta instrucción indica que se tiene un circuito intermedio. En el ejemplo, esta instrucción va desde la línea 9 a la línea 12. Para el tercer circuito, se utiliza la instrucción MPP y lo que hace esta instrucción es traer lo que tiene almacenado la instrucción MPS y luego se efectúa la operación lógica para terminar en la última carga. Esta instrucción indica que se fina/iza el uso de la memoria intermedia y en el ejemplo, la instrucción va desde la línea 14 a línea 18. En resumen (Observe la Figura 5.35 en donde se muestra un diagrama en el que se ilustra una disposición de las memorias intermedias o pilas):
Figura 5.35.
Diagrama que explica el uso de la memoria de pila
1.
Las instrucciones MP5, MRD Y MPP se utilizan cuando se tienen varias cargas con un circuito lógico común.
2.
Estas instrucciones son memorias intermedias que se denominan pilas.
3.
Para el uso de esas instrucciones seguir el siguiente proceso: 3.1. Se efectúa la operación lógica que es común a todos los circuitos. 3.2. Se llama la instrucción MPS para iniciar el uso de la memoria intermedia, esta instrucción almacena la operación lógica común a todos los circuitos; además, con lo almacenado en esta instrucción se efectúa la operación lógica para terminar en la primera carga. 3.3. Para el siguiente circuito, se utiliza la instrucción MRD cuya función es traer lo que tiene alma_ cenado la memoria MPS para efectuar la operación lógica que termina en la segunda carga. Se puede disponer desde ninguna instrucción MRD hasta el máximo de instrucciones MRD permitido por el PLC.
.~
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO S. Controlador Lógico Programable
163
3.4. El último circuito debe contener la instrucción MPp' que trae lo que tiene almacenado la instrucción MPSpara efectuar la operación lógica que culmina con la última carga; entonces esta instrucción indica que termina el uso de la memoria intermedia. 4.
La memoria intermedia siempre debe iniciar con la instrucción MPS que indica el primer circuito.
5.
La memoria intermedia debe terminar con la instrucción MPp' indicando el último circuito.
6. Entre las instrucciones MPS y MPP se tienen las instrucciones MRD que indica que se tienen tres o más cargas. 7. Un circuito puede tener solo dos cargas, lo que indica el uso de memoria intermedia instrucciones MPSy MPP únicamente, sin tener instrucción MRD. 8. El número máximo de circuitos que utiliza memoria dependen del PLC. 9.
intermedia
y que tienen
con las
instrucción
MRD
Se pueden anidar memorias intermedias en otras memorias intermedias.
Ejemplo 5.3 En el siguiente diagrama ladder se combinan operaciones AND-OR y memoria de pila. Se presenta el listado de instrucciones correspondiente. Siga el desarrollo. MOO
101
00.0
MO.3
10.4
Ml.1
"",;~<~>
001 LD
f-( 10.3
) MO,
M15
MO.
o
AN
10.1
o
SMI. o QO. o
LD A LO
MO.3 MO. 2
i>.
HO.6
OLO i>.LD
LPS
":'~ 00.1
f-( Ml.l
) M2.1
f----1 I
f--(
LDN
10.4
o
QO.2
QO.l
LDN ON ALO A
LO
M!. 2
LPP
A
10.3
i>.
ON
M!. 5
LD
QO.l SM!. 2
LD
M!.6
AN OLO ALO
QO.2
i>.LD
l'. 00.2
)
M!. 1
A
HO.6 M!.5
LRD LO
11.0
f----1
f--(
00.3
)
M3.2 M3. 4 M3.3 M3.4
LRO
ALD
001
LPP
QO.l
LD
H!.l
P. OLD ALD LPS
QO. 2
LPS ·AN
QO.2 QO. S
LPP A
P.
M!. 1
AN
M2.1
QO. 5 QO.6
QO.2 LRD
LO Ol,
10.4 M2.2
ALO
M2.2 LRD
A
A
QO.l
Il. o QO.3
Fin ejemplo
5.3
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
164
Lógico Programable
Ejercicio 5.2 1. Para 1.1.
los siguientes diagramas ladder, escribir el listado de instrucciones y dibujar el diagrama FBD.
10..0.
SMo.o.
Qo..o.
~~I
Ho..2
Mo..o.
/ f--{
'-1 ~I
MD.3
'1
f--{)
Ho..1
)
Qo..1
1.2. 51<41JO
MO.2
000
'~/T) I
MI}~
"00
)
1--{ )
MO.O
Q02
Q03
)
¡-J
I~ /0114
SM1,3
I~I
";OE::~::~QOO~";' ~ MíA
003
Fin ejercicio 5.2
5.7.3.
Funciones de Temporización Al igual que con los dispositivos eléctricos, en todos los PLCs se dispone de
dos tipos de temporizadores: Temporizador con retardo a la conexión o TON Temporízador con retardo a la desconexión o TOF
Temporízador TON: Cuando se energiza, inicia la temporización y al transcurrir el tiempo progra_ mado, sus contactos actúan y permanecen en el nuevo estado, mientras se mantenga energizado el temporizador. Al desenergizarlo, sus contactos retornan al reposo. Al conectar una carga en su terminal Q, actuará después de pasar el tiempo programado del tempori_ zador y se desactiva cuando se desenergiza la entrada del temporizador.
f,"
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
165
Lógico Programable
Telllll Q
IN
~r-
TON Q
~~
.-Tl
TI
(1)
Figura 5.36.
Temporizador
"
'-T1~
(2)
(3)
con retardo a la conexión. Izquierda:
(4)
'-Tl~ (5)
(6)
(7)
Bloque del temporizador.
En la figura 5.36 se muestra un bloque del temporizador (izquierda) (derecha). El temporizador tiene una entrada (IN) y una salida (Q).
Derecha: Diagrama de tiempos
y el diagrama
de tiempos
Los temporizadores responden al flanco de subida del pulso en la entrada; así, en el punto (1) se aplica el pulso en la entrada, se energiza el temporizador y se inicia el tiempo programado Ti. Cuando transcurre ese tiempo, en el punto (2), los contactos del temporizador actúan (los contactos NA se cierran y los NCse abren) y permanecen en ese estado mientras se mantenga el pulso aplicado en la entrada y, obviamente el temporizador energitado. En el punto (3) se suprime el pulso de entrada, así que el temporizador se desenergiza y sus contactos retornan al reposo (estado inicial). En el punto (4) se vuelve a aplicar pulso en la entrada, se energiza el temporizador y comienza a transcurrir el tiempo, pero antes de completar el tiempo programado Ti, se desconecta la entrada en el punto (5), así que el temporizador no alcanza a completar el tiempo Ti y sus contactos no cambian. Nuevamente en el punto (6) se activa la entrada, se energiza el temporizador y comienza a transcurrir el tiempo; cuando transcurre el tiempo Ti, se activan sus contactos (7) y permanecerán indefinida_ mente así, mientras esté la entrada activada.
Temporizador TOF. Cuando se energiza, sus contactos actúan instantáneamente así como la carga que se conecte en su salida Q y permanecerá en ese estado mientras esté energizado. Cuando se desenergiza, comienza a temporizar manteniendo sus contactos en el estado actual y luego de transcurrir el tiempo programado, sus contactos vuelven al reposo y la carga conectada en su salida se desactivará. En la figura 5.37 se muestra el bloque del temporizador y un diagrama de estados.
IN
Q
IN TOF
STem TI
Q
..
Figura 5.37.
Temporizador
(i)
(2)
con retardo a la desconexión.
(3) Izquierda:
(4) (5)
(6)
(7)
Bloque del temporizador
(8) Derecha: Diagrama de tiempo
En el instante (1) del diagrama de estados, se activa la entrada, se energiza el temporizador y sus contactos cambian de estado instantáneamente. En el instante (2) se desconecta la entrada, los contactos del temporizador se mantienen en el estado anterior y se inicia el tiempo programado Ti; cuando transcurre este tiempo, en el punto (3), los contactos del temporizador retornan a su posición de reposo. En el punto (4) se vuelve a activar la entrada, el temporizador se energiza cambiando de estado sus contactos. En el momento (5) se interrumpe la entrada, desenergiza el temporizador y se inicia la temporización;
en el instante (6) se cierra la entrada, así que el temporizador vuelve a energizarse, sus
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
166
5. Controlador Lógico Programable contactos continúan en el estado que tenían, pero ya no está temporizando. En el instante (7) desconecta la entrada, desenergiza el temporizador y se inicia el tiempo programado Ti, tiempo que se alcanza en el punto (8), en donde los contactos del temporizador retornan al estado de reposo. Se observa que mientras la entrada activados, pero no está temporizando.
esté activa, el temporizador
está energizado,
sus contactos
La figura 5.38 ilustra los temporizadores TON y TOF para tres PLCs de diferente fabrican_ te. En todos los diagramas, se observa la semejanza en la información que contiene el bloque: el tipo de temporizador (TON, TOF), terminal de entrada (IN), el valor de selección del tiempo (PT). En el PLC Siemens (gráfico de la figura 5.38(A»), con el nombre del temporizador, que es T38, se pueden colocar la cantidad de contactos que se requieran en el circuito. Para el PLC Te/emecanique, se puede colocar carga o circuito lógico en la salida Q, o con el nombre del temporizador (%TMO), se pueden colocar los contactos que se requieran en el circuito. Igual se aplica al PLC ABB.
T38
FBD .~~~~~
Ta
LADDER
3
TONI
LD l~;~: nI 11l'LO 10.0 T3B. BlY. ::mlO :~IO.O TON 8m_BLR yalln
(A) (B) LADDER
TYPE
n.
ILIN
%11ol0.P 9999
%TMO
o
Example in IL
LD
TONlnsl(IN := Var800L TONlnsl.Q
sr
VarBOOL2
Example
ADJ %iO.O
~
Example in IL CAL
2
1, PT := T#5s)
CAL
TOFlnsl(IN:=
LD
TOFlnsl.Q
ST
in FBD
VarBOOL 1, PT:= T#5s)
VarBOOL2
Example in
T0N!nSI
FBD TüF!nst
(e)
Figura 5.38.
Presentación de temporizadores
TON y TOF para distintos PLCs
(A) PLC Siemens (B) PLC Telemecanique
5.7.4.
Temporizadores
(C) PLC ABB
Especiales
Cada PLC dispone de algún tipo de temporizador TON y TOF. Uno de ellos es el temporizador TP. SU
funcionamiento:
diferente de los clásicos
cuando se energiza, actúan sus contactos instantáneamente
y, luego de trans_
currir el tiempo programado, sus contactos vuelven al reposo, estando el temporizador figura 5.39
ilustra un bloque temporizador y un diagrama de tiempo.
energizado. La
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
167
S. Controlador Lógico Programable
0/011\-1
Q
IN TP
Q
TI
(2) (3) (4) (5)
(1) Figura 5.39.
Temporizador
TP. Izquierda:
(6)
Bloque Ladder. Derecha: Diagrama de tiempo
En el evento (1) del diagrama, se activa la entrada IN, entonces se energiza el temporizador, actúan sus contactos instantáneamente y se inicia la temporización; cuando transcurre el tiempo programado Ti, los contactos del temporizador retornan al reposo (2), Pero observe que la entrada se mantiene activa. En el evento (3), se activa la entrada, energiza el temporizador, activa sus contactos y se inicia la temporización y en el punto (4) se desenergiza la entrada, entonces el temporizador también se desenergiza y sus contactos retornan al reposo, dejando de temporizar. En el evento (5) nuevamente se activa la entrada, se energiza el temporizador, activa sus contactos y se inicia la temporización; al transcurrir el tiempo programado Ti, en el punto(6), los contactos del temporizador retornan al reposo. Aunque se mantenga la entrada activada y el temporizador en reposo, como se observa del punto (6) en adelante.
energizado, sus contactos permanecerán
En la figura 5.40 se muestra la ventana de edición de los tres temporizadores dispone el PLC Te/emecanique TX07.
XTHO IN
o
TemP0rizador:
U
Pceseleccion: I
TiPo de temporizador @TON T"fPE TON TB Mi n ADJ ,. xTHO.P 9999
i
OTOF
OTP
TEMPORIZAOORES Símbolo:
1
_
9999 I Base de tiempo
01 ms OlE! ms
OlElE! ms Olseg
@1
mín
QK
Figura 5.40.
que
II
Bloque Ladder y ventana de edición para los temporizadores
flnular
del PLC Telemecanique
TSX07
Como se observa en la figura 5.40, se puede seleccionar: tipo de temporizador, la base de tiempo; en el espacio temporizador se escribe el número del temporizador y en la ventana de preselección se escribe un número, que al multiplicarlo con la base de tiempo resulta en el tiempo de temporización. El PLC Siemens dispone del temporizador a la conexión con memoria TONR. namiento se comprende observando el diagrama de la figura 5.41.
SU
funcio_
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
168
5. Controlador Lógico Programable
Txxx
:l-
IN Txxx
PT
T1
~ 'M TOMRI
: •• T1
Figura 5.41.
,T2
.
T3P_ :
TIEMPO T3 = PROGRAMADO 110
+
T2
+
:
:--:
TEMPORIZADOR EN CERO
Temporizador a la conexión con memoria
Inicialmente se programa el tiempo requerido. Luego, almacena los tiempos en que la entrada permanece en alto, hasta que completa el tiempo programado, instante en que los contactos cambian. Observe el diagrama de estados de la figura 5.41: inicial_ mente la entrada tarda Ti en alto, así que se almacena ese tiempo. Posteriormente, la entrada vuelve a quedar en alto durante T2, entonces este tiempo se suma al anterior y queda almacenado el resuL tado. Finalmente, cuando la entrada permanece en alto el tiempo T3, la suma total de tiempos comple_ ta el tiempo programado, y el temporizador opera cambiando el estado de sus contactos.
Para los PLCs Siemens, la base de tiempo se fija de acuerdo al nombre del temporL zador. En la siguiente tabla se aprecia esta codificación. Ternporizador
Resolución
TON, TOF
Temporizador
N° de temporizador
s
32,767
W rns
327,67 s
100 rns
3276,7
Resolución 1 ms 10 ms 100 ms
TOI'JR
Valor máximo
1 rns
Txxx
D2, T96 D3-D6,
s
T97-T100
D7-T63, T101-T255
Valor máximo 32 ,767 s
N° de temporizador lD, 164
327,67
s
T1-T4,T65-T68
3276,7
s
T5-T31,T69-T95
El tiempo de temporización de cualquiera de los tipos se obtiene multiplicando valor de preselección PTpor la base de tiempo (resolución).
Ejemplo 5.4 El siguiente ejemplo ilustra el funcionamiento Ne'wOIk 1
TOF
LO
10. O
TOF
T37.
I VISU..L1Z~ LD
EL TEMP T38
T33 QO .1
+50
Network 2
Netwo,k 6
I TEMPORrZODOR
TON
LO TON
+ 10
T37 T38.
I VlSUAlIZUL LO
NelwOIk 3
TEMP TONR
T5 QO
2
Nelwork 7
I TEMPORIZbj)OR LO
T3B
TONR
T5.
TONR + 150
Netwmk .•
LO
para el PLC Siemens.
USO OE TEMPORlZADORES
I TEMPORIZbj)OR
I VlSUAUZA
de los temporizadores
I LIMPIA
EL TEMP TOF
LO
10.1
"
T37.
1
NetwOIk 8 EL TEMP 137
T37 QO. O
¡lIMPI,", LD
~
EL TEMP TONR
ID. 2 T5,
1
(A)
el
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
169
5. Controlador Lógico Programable
Np.-"l
Netwur!
I~·'~·)·;,-:~~·::::~
I
PO~......-.t:S
ti.~C '!:::'-F'\)f"':j'::J
ID'
1-,:>-. -._'",.
TIl
'~I ..U-...J
1:..-4,¡;: •••
,''¡ .~ ~
b¡~",=:=;c:,"¿:
jG':3~i:t.I~<'n!:'.•.;xnT:;-·':
0:'2
ns
",-C::==J
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TONI
Ile"'''',kl @-Y:"'!f.i7';':''''?''':':C'''''';;'f"
Nelwnrl<3
N~.A7
••• .,;..- •. .:....;
'_-.1
Te;'1
r-<"")
~ i..-,
T'?'-c==J
~¿~j~
1"
TI7
7!:.."".:; •. :.:.r: •... -..,,·-F It~~
Il..'!'
';~ (e)
Figura 5.42.
Aplicación de los temporizadores instrucciones
en el PLC Siemens, (A) Listado de
(B) Diagrama Ladder (C) Diagrama de bloques funcionales
La figura 5.43 ilustra, con un diagrama de tiempos, el comportamiento del programa. Verticalmente se trazan líneas mostrando tiempos de lOs en cada división; horizontalmente contiene: la entrada 10.0 cuyos cambios inician la secuencia de temporización, los estados de los temporizadores TOF, TON y TONR, la entrada 10.1 con la que se limpia (pone en ceros el estado actual) al temporizador TOFy la entrada 10.2 con la que se limpia al temporizador TONR.
IO'0-fl~. lO'
QO,O
----L.J -!L.l..-j ~¡
IOHR
~
QO.2-' 10.1
~[l
.
n-
.. ~.'------~
[l
~[l
_---_:,
.. '_:. __ !---!
----------------~n •
•
rL....-
.
iJ.•.;.•... [ :; ¡¡
: ¡
¡,:
:
!h
o
'¡:
!tJ.J
10.2_' 10
Figura 5.43.
Diagrama de tiempos de los temporizadores
de la figura 5.42
Observe que para limpiar los temporizadores (poner en cero o reinicializar) se utiliza la instrucción Reset, limpiando el BIT correspondiente al número del temporizador. Esto es importante, en especial con los temporizadores TOF puesto que ellos siguen operando después de desenergizarlos. Esta es una ventaja respecto de los temporizadores electromecánicos, mencionados en el capítulo 3.
Fin ejemplo 5.4
5.7.5.
Función de Contador
Otra Función utilizada en los procesos industriales y que también se dispo_ ne en todos los PLCs es la fundón contador. Se disponen de contadores ascendentes (eru), descendentes (erD) y ascendentesdescendentes (CTUD).
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
170
BLK LD
;::0
7.CO 7.IO, 1
R
E
D
3 4 5
LO S LO
6
CU
7.IO.2 7.IO.3
LD CD
f
7.IO
END_BLK
(A)
Example
in IL:
CAL LD
ST
VarBOOL3
var600U
eu
LD
CTUlnsLCV
ST
VarlNT2
VatOOOL2 VarlNTi
r{ESET PV
Example
1, RESET := 'iarBOOL2,
PV := VarlNT1)
CTUlnst CTU
in Ilo
CAL "~.'.
Example in FBO:
CTUlnst(CU := Var800L CTUlnsLQ
Q Va,BOOl3 C' \/srINT2
Example in FBO:
LO
CTDlnst(CD:= CTDlnsl.Q
ST
VarBOOL3
VarBOOll
CD
LD
CTDlnsl.CV
Var800L2 vartNT1
LOAD c¡va'INT2
ST
VarlNT2
Example
VarBOOL 1, LOAD:= VarBOOL2, PV:= VarlNT1)
CTD
in IL:
o!
CTUDlnst(CU := VarBOOL2, RESET := VarBOOL3, LOAD VarBOOL4. PV:= VarlNT1)
LO
CTUDlnsl.QU
PV
CTt.,IDlnst
CTUD VarBOOL1
VarBOOL5
el!
Var800L5 QU QD Var800L6
CD
LO
CTUO!nsI.QO
VsrBC'Ol3 RESET C\ VatiNi2
ST
VarBOOL6
LO
CTUDlnsl.CV
\'.ilBOOU ValiNTi
ST
VarlNT2
Ejemplo Net'lltork 1
VarBOOl3
Example in FBD:
CAL
ST
CTDlnsl
(8)
en LAOOER:
Ejemplo
1
Network
c::;n,l..Dr.:p,DEf=:-~::¡·;Gf.;,nE 11)0
t
en FBD:
Np-twark DESCEl\iCENTE
C;0i\(T.':"GO¡:-~
10,0
eo
10.1
LO
en IL
1
[CC;ÑiA[;CjRDE-¡;~:ENGrÑTE-'-'------:--10.0
LO LD CTa
CO
lO.i
CTD
10.1 eo,
"¡
iO
.•1[; PV
LO
FV
CTO
NI:'!l.Wurk 2
Network
[C0¡~T.•·'J)ORN;(,EN[;E"ITE 10.0
Ejemplo
1
CO
~o+!:;
LOAD PV
1
Network
2
(,0~·rrAQ'::?
~·'I
1
el
C1
,0.1
2
C(;'~T.4)("¡H,),l:;(ENm'::NT[ LD 10.0 LD 10.1 CID eL .•..2(,
."'SCENGENTE
t=I.
PV ;DOOcru
.,,;
=1 Network
3
Network
I GG!'II,,"[)CiR/.SG::NDE¡..,'-TE-[:=
~C2n0fj
¡rE::
1
LO LO LO CWO
C2
1(\.1 el)
10.1
ea m.2
10.2
üC2
3
CONlA.OOR
ASCENDfJ· .•.tTf.:-oESC'~M)ENTE
10.0 10.1 10.2 e2, +5ú
R
'oor'
.~~; p.¡
IT'I
R
10.0
.~ú
PV
CTUD
Figura 5.44.
(c)
Presentación de ros contadores en distintos PLCs TSX07 (B) PLC ABB KT97 (C) PLC 5iemens 57-200
(A) PLC Telemecanique
171
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
5. Controlador Lógico Programable
La figura 5.44 muestra contadores de distintos fabricantes/ representados en los distin_ tos lenguajes de programación. Indiferente de la marca del PLC/ todos los contadores tienen: • Nombre del contador/ que identifica el contador repetir con el mismo nombre. •
Identificador
dentro del circuito.
Un contador
no se puede
del tipo de contador: CTD, CTU, CTUD
• Entrada Cu, en donde se aplican los pulsos a ser contador. Esta entrada indica que con cada flanco de subida aplicado allí, se incrementa en uno la cuenta. • Entrada CD, para el contador descendente; con cada flanco de subida detectado en esa entrada, la cuenta decrementa en uno. • Entrada reset (R), limpia los contadores CTU y CTUD; significa que un pulso aplicado en esa entra_ da pone en cero el contador. Para el contador CTD, se dispone de una entrada indicada como /oad (LD), así que, al aplicar un pulso allí, el contador pasa al valor máximo programado de conteo. •
Entrada para fijar el valor de conteo PV, generalmente
un valor entero positivo.
• Algunos PLCs tiene salidas (por ejemplo el Telemecanique y el ABB), otros (como el Siemens) no tiene salidas, sencillamente disponen de contactos abiertos y cerrado que se colocan dentro del circuito con el nombre del contador respectivo.
Ejemplo S.S El siguiente es un programa en A WL desarrollado en el PLC Siemens, que muestra el funcionamiento de los contadores.
I E,IEMPLO
DEL USO DE COtH,6.DORES
t~ORM,6,LES
Nelwork 1
Nelwork 4
I CiJtH.6.DOR ,6.sCEt'1DEt~TE
I TESTIGO DEL FUNCIOi'J,6J,jIENTO DEL COtH,6.DOR ,6.sCEt~DENTE
ILD
IO,O
ID
ID
lO, 4
CTU
eo,
CO QO,O
+5
Nelwork 5 Nelwork 2 I TESTIGO DEL FUNClON,6,MIENTO I COtHADOR
ID ID CTD
DE~;CnJDEtHE
ID
IO,O IO,l
el, +8
Nelwork 3 I CONT />.DOR ASCEt'JDENTE/DESCnJDENTE ID lO, O
ID
lO, 2
ID CTUD
lO,::: C2, +10
DEL COtH ADOR DESCENDENTE
C1 C)O , 1
Nelwork 6 I TESTIGO DEL CONT,6,DOR ASCEI'JDEtHE/DESCENDEtHE
ID
C2 QO,2
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
172
5. Controlador Lógico Programable
10.0 10.4 __
10.
~n__ ~ __ ~~ n~_~~
~
1-----fl
_ _
10.2 10.3 O 46 251¡i:7 52311B CO!:43 O 7 !:6
IC1
O
QO.O :
:
:·1
: -2
¡-31
:
¡:~,.>~~-~--~~~~-~-
QO.1
:
:
QO.2
Figura 5.45.
'¡!:il_~_
Arriba: Ustado AWL en el PLC Siemens para mostrar el funcionamiento Abajo: Diagrama de eventos que muestra el funcionamiento
de los contadores.
de los contadores
Basado en el listado y el diagrama de eventos, se propone: - Explicar el funcionamiento de los contadores - Dibujar el diagrama Ladder y el diagrama de bloques de funciones del programa.
Fin ejemplo 5.5
El
PLC
; zsco iR
Telemecanique posee un contador llamado contador paso a paso.
Es un contador más sencillo que el estudiado en la sección anterior, pero igual, tiene muchas aplicaciones. El bloque contador paso a paso tiene tres entradas:
eu
R: coloca en cero el estado del contador.
cu. en
al activar da un paso ascendente por cada pulso que se aplique (detecta el flanco ascendente). CD: al activarse da un paso descendente por cada pulso que detecte.
No dispone de salidas, pero tiene contactos los cuales pueden activar salidas; el contador del PLC utilizado tiene la posibilidad de contar hasta 256 pasos, así que está en capacidad de manejar 256 salidas (256 cargas reales).
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
173
Entonces, se programa el contador simplemente colocando a los contactos propios del contador las cargas que se requieran. En la figura 5.46 se muestra un circuito sencillo en el que se utiliza el contador paso a paso y en la figura 5.47 se tiene el diagrama eventos del circuito. %SCl
%Ml R
CU
CD
Figura 5.46.
Diagrama Ladder
ESTADO DEL CONTADOR o 123
que incluye un contador paso a paso del PLC Telemecanique
4:3
:2
RJl
3
A ,5 '6
;78
'9
o )0255;0:1
~
CU
ILJI
CD
QO,4
-.r-J~,
-----IL~ __ -----___'r_____
Q05 QO.6
..
Ml-' EVENTOS (1) (2)
(3)
Figura 5.47.
(4)
(5) (6)
~(7) (8) (9)(IOXll)(12) (13) (14) (15)
(16)(17)(18)
Diagrama de eventos para el Ladder de la figura 5,46
El circuito dispone de: Contactos externos:
10.1, 10.2, 10.3
Salidas:
QO.4, QO.5, QO.6
Bit interno:
M1.
Contactos del contador: SC1.1, SC1.2, SC1.5, SC1.10 Los pulsos aplicados a las entradas R, CUy CD son manuales, así que no son periódicos
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
5. Controlador Lógico Programable
174
La secuencia de eventos de acuerdo al diagrama de la Figura 5.47 es la siguiente: Aplica pulso a la entrada R al accionar el contacto 10.1. Contador en O Aplica pulso a la entrada CU a través del contacto externo 10.2. Contador en 1, cierra el contacto del contador SC1.1, se activa la carga QO.4. Pulso a la entrada Cu, contador en 2, activa el contacto SC1.2, activa la carga QO.5, contador en 2 Pulso a la entrada Cu, no hay carga conectada, contador en 3. Pulso a la entrada Cu, no hay carga conectada, contador en 4. Pulso a la entrada CD a través del contacto externo 10.3, desciende la cuenta del contador, contador en 3. Pulso a la entrada CD, contador en 2, activa la carga QO.5 Pulso a la entrada Cu, contador en 3. Pulso a la entrada Cu, contador en 4. Pulso a la entrada Cu, contador en 5, cierra el contacto del contador SC1.5, activa la carga QO.6. Pulso a la entrada Cu, contador en 6, no hay carga conectada. Pulso a la entrada Cu, contador en 7. Pulso a la entrada Cu, contador en 8. Pulso a la entrada Cu, contador en 9. Pulso a la entrada Cu, activa el contacto del contador SC1.10, activa el BIT interno Mi, este BIT activa su contacto conectado a la entrada R, luego contador se pone en O. Pulso aplicado a la entrada CD, contador en 255. Pulso a la entrada R, contador en O. Pulso a la entrada Cu, contador en 1, activa la carga QO.4y permanece activa hasta que se produzca algún cambio en las entradas del contador.
.~.
Con las funciones estudiadas hasta esta parte, se pueden desarrollar programas para procesos sencillos o de cierta complejidad y que, además, requieran temporizaciones y/o contadores. En igual forma, los tres lenguajes tratados son los más comunes y en los que la mayoría de PLCs permite programar. Se proponen a continuación algunos ejercicios y que se solucionan con las funciones estudiadas
Ejercicio 5.3 1.
¿Cuáles son las partes que comprende el estándar IEC-1131?
2.
Consulte en qué consiste el estándar IEC-61131.
3.
Consulte ¿cómo se identifica físicamente un sensor NPN, PNP Y un sensor inteligente.
4.
Porqué un número entero con signo de 16 bits es equivalente al rango decimal: -32768 a +32767.
5.
¿Cuándo se utilizan las marcas? ¿Qué reemplazan en un circuito?
6.
¿Qué problema presentan los temporizadores TOF y cómo se soluciona con el programa del PLC?
7. Explique el manejo que hacen los PLCs de las señales análogas de entrada y las que entregan a las cargas. ,.
8. El siguientes es un listado de instrucciones -AWL- para el PLC Siemens. Analícelo y dibuje el diagrama ladder y diagrama bloque de funciones FBD.
r.'¡
175
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
.;,
O ID ".,432+5+100 TON ID6 14Nelwork O AH Al! 12 4 Network Al! AH ID +80 T44 .0 .01 139 ID 10.1 ID +110 +60 HO O T41 T43 T38 142 140 +5 Nelwork 143, QO. 139, 00 141, 140, QO.1 eo, 003 138, OO. QO QOO T42, QO.4 Q05 QO.3 144, ID 1ID QO.2 Nelwork 1eo Network 5 ID TON IDeTU Q05 ID O AH Nelwork 7 Nelwork Nelwork 11 QO.4 QO.3 Nelwork B
AN
9.
El siguiente es un diagrama ladderde
Network 1
f---j
QO.2
f---j
110
Nelwork 15 ID
un programa realizado en el PLC Siemens.
I
T 37
--1~IN~TóFI
Network I 11
Net •.•.ork.-'2
.•.l00~_PT__ 101 : 10
Network.
Nelwork 2 T37
Nelwork ID 913 10 Nelwork Nelwork TOl! TOl!TOl!
T¡lulo de 'Segmento
10.0
1--1
.
QO.O
1----( )
Nelwork 9
1----(
Netwo,k 8 T33 en QO.3 T41 10.0
)T40
T41 T39 T40 en
I QO.3 I
'°"1 I
.X:
TONI TON .'601:T .J:T
~.
°"1
.I
Nelwofk 3 T37
T38
~I
Network. T38
-1-'N
T50~_PT
~TONI _
" QO.,
1----( )
Neh..,o,k 5 T37
T69
~I
--1
IN .•.300~_PT
TONRI.
NelwOIk S T69
Nctwo.k 10.1
QO.2
1----( ) 7
1----(
T69 R
1
Analice su funcionamiento funcional FBD.
)
y dibuje: el diagrama de eventos, listado de instrucciones y el diagrama
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
10.
176
El siguiente es un diagrama ladder realizado en el PLC ABB.
Switch3
S-Ml,:/",4
SWilch6
limer 8witchU
f-------j/ Switch' 3
IN So-ilch12
SwiICh~5
T;:,j;; PT
•.'.
o
~-P ET
TON
Expired
S.oitCh10
Explique su funcionamiento
y deduzca el listado de instrucciones y diagrama FBD correspondiente.
11. El esquema eléctrico desarrolla cierto proceso. De acuerdo al diagrama de tiempos y al circuito, deduzca el diagrama /adder, escriba el listado de instrucciones y dibuje el diagrama bloque de funcio_ nes FBD. Utilice el PLC Siemens y el PLC ABB.
5 E3
M'r;r}l
KM1
52
51 E-··
KA4
KA3
[KA3 ..•_\,
~
j
KA4
KAS
4
~-------------------!L
KM2 KM3
.;
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
177
5. Controlador Lógico Programable
12.
El siguientes es el diagrama
FBD de un programa
0001 :Uf'.!CT!ON F80_EX~¡'¡PlE:800L 00·02 ("""*"""'''''''''-.t-=-.-l:- _... _. . -r-".,. ...•..• ., ..•..
realizado en el PLC ABB
.t. ••••:t"1:.,. __ ~"~."."".""'=".!>:\.".J:".".J.-:'..".,.,
on03 Ex~mple lar a ülndj'Jn wrirten in F8[; 0004 0005 VAR_INPUT 0006 VAR1:BYTE; 0007 VAR2:BYTE; 0008 VAR3:BYTE;
...•_.1(,,.,,·::"·,,,"
.• ,"-:l'"r"-I:":-J:
~~)
000'9 E NO _ VAR
0010 lAR
001:1
b1: BOOL;
,00'11
b2: b3: b5: b6: b7: b8: b4:
,éJO}:J
0014
0015 0016
BOOL; BOOl: BOOL; BOOL; BOOl; BOOL; BOOl;
ENO_VAR
!'NO b1
b5
b8
Analice el diagrama
y deduzca el listado de instrucciones y dibuje el diagrama
laddercorrespondientes.
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
AUTOMATIZACIÓN
178
5. Controlador Lógico Programable
13. Los siguientes son esquemas eléctricos para el arranque e inversión de motores trifásicos, acuerdo a diferentes fabricantes. Para cada uno de esos diagramas realizar lo siguiente:
de
• Analizar y entender los esquemas . • Dibujar el diagrama ladder, listado de instrucciones y diagrama en bloques FBD. Puede realizarlo en cualquiera de los PLCs estudiados.
13.1.
Inversión de giro de un motor trifásico.
CIRCUITO DE MANDO
CIRCUITO DE POTENCIA R
S T
~
13.2. Inversión con paro automático, un sentido.
temporización
R-c F1
--r------------------------·----------------------------
500-··· ..
51
E·· -\
K,.,1
KA1
5
previa a la inversión y prioridad de arranque en
1
2
3
4
]-
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
179
Controlador Lógico Programable
13.3.
Inversor automático por temporización con posibilidad de seleccionar el sentido inicial de giro.
R
--)--
-
- - - - - -- - ---- - -- -------- ------------ - ----------- - --------
-- -- -------------
KA2
KH2.
KAl.
s
14.4. Circuito
1
7
6
8
9
de potencia para el arranque por conmutación estrella triángulo. R
S
T
KM'
~ R
S
T
v
v
u
x
y
z
AUTO MATIZACIÓN
5. Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
180
Lógico Programable
13.5. Circuitos de mando típicos para arranque estrella-triángulo ).
de motores trifásicos
con seis bornes (arranque
KLOCKNER-MOELLER
Te/emecanique
R-----------F1---Lt_r
so
1
[---
s 3
2
6
4
Siemens
.f---,]
R-F1-+-rm---m------------ _.__-----rso
t---¡
51 t------\,
i S KAl
r---
56 243 KM1\ 1 KM3\
K,.n\\
KAJ.
e.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
13.6.
Arranque estrella-triángulo
R
181
(otra versión). Circuito de mando.
~
. J;
1-1------------:----------------.::,.'
Fl so [---7
98
122 ~13
S1 E----\
. 14
KM1
14
X1
s
H X2
1
3
2
4
5
Circuito de potencia para el circuito de comando del arranque estrella-triángulo
R
S T
Al CIRCUITO DE MANDO
F1
u
z
V
lo!
••••\ 3~
'T
x y
6
anterior.
AUTO MATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
182
TEORÍA Y LABORATORIO
Lógico Programable
,..
13.7. Inversión de giro temporizado de motor trifásico. Circuito de mando.
R~
F1
l-r-- ------------- -------.--_..... _--.--\
rr .....
k ~
~ 50 [_ ../ 13 [22
51[-v-\
U
KA2
16
KA2
A2
76 5Xl 2 43 H3
Al
1X2
Circuito de potencia para el circuito de mando del inversor de giro anterior.
.. Al CIRCUITO DE MANDO
~.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
183
5. Controlador Lógico Programable
14*. La siguiente figura muestra la estructura y partes de una grúa-torre .
.,' •.·10 Partes de una Grua-Torre l. PLUMA 2. TEI"¡SORE.' 3. CABEZA DE TCRRE 4. CORONA DE GfRO 5. CONTRAPESO SUPERIOR O Jl,1ALETAS AEREAS 6. CONTRA PLUMA 7. CABINA DE MANDO S. TRAMO DESLIZANTE 9. TRONCOS INTERMEDIOS 10. GANCHO Y CARRO II.TRAMOBASAL 12. MOTOR DE ELEV AClON 13. CHASIS 14. LASTRE BASAl. 15. MOTOR DE GIRO 16. MOTOR DE CARRO 1"7. CABLE DE CARRO 18. DlAGONALES 19. MECANISMOS (H()lNCHE. CARRO. GIRO. Y TRANSLACION)
• M(n;fllicnw
en p);mo vcrtk'tl
• ,Movimiento
e;l
plano
h(lri2.l.111lál
•
ivtovimicnto
ginltorío
de 36fT
•. M"(\'\'il1licn{o giraforio y tn\slación
¡;¡¡::::)
~
La grúa torre se mueve eléctrica mente mediante motores trifásicos alimentados con 220VAC de 50 a 200KVA. Los motores son: Para el mecanismo de elevación, mecanismo de giro, mecanismo del carro distribuidor, de traslación sobre la vía.
y mecanismo
Diseñar. el sistema de potencia eléctrico de los cuatro motores y el circuito de comando con el que se puedan operar desde la cabina de mando. Los cuatro motores deben tener inversión de giro. Dibujar el diagrama /adder, listado de instrucciones y diagrama en bloques FBD. Puede realizarlo en cualquiera de los PLCs estudiados. Qué propuesta sugiere si la grúa torre se quiere manejar remotamente
*
La información de este ejercicio fue tomada de una tesis desarrollada en la Universidad Austral de Chile y publicada en la siguiente dirección: http://www.scribd.com/doc/17688560/Tesis-gruas-torre.
Fin ejercicio 5.3
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
184
Lógico Programable
Laboratorio 2. Programación del PLC Ladder, Listado de Instrucciones A continuación se presentan los diagramas de diferentes procesos. Para todos efectúe lo siguiente: • Dibujar el esquema eléctrico correspondiente conveniente. • Dibujar el diagrama ladderde
incluyendo
los símbolos de los sensores que crea
contactos
PlC estudiado
• Escribir el listado de instrucciones utilizando el
o cualquier otro PLC que se disponga.
• Asociar cada proceso a un proceso industrial real. Explicarlo detalladamente incluyendo los diagra_ mas pictóricos (por ejemplo dibujar bandas transportadoras, motores, tolvas, recipientes, etc). • Efectuar el montaje real, simulando las cargas con bombillas. • Hacer las consideraciones que crea convenientes que mejoren el proceso de fabricación enunciado es confuso, sugerir para aclarar las dudas. Anotarlas en el informe.
o si el
Los procesos pueden contener distintos captadores (sensores, pulsadores, etc.), pueden contener temporizadores, contadores, registros de desplazamiento, saltos, subprogramas, etc. (para las funcio_ nes no estudiadas, consultar el manual de fabricante del PLC correspondiente). Los diagramas mostrados a continuación contienen: X que puede ser cualquiera de las funciones anotadas (temporizadores, contadores, etc.) o se puede asociar a algún accionamiento mecánico o electromecánico (En el informe se debe especificar a qué corresponde cada X). M indica actuación manual (con pulsador). Los puntos suspensivos al final de la secuencia indican que se repite automáticamente.
Todos los procesos deben contener un apagado de emergencia.
KM!
@:II .•.. Kl\11
tJ
I
~ X2
: X31X4!
Ml
Proceso 1
KMl
I ;
I
KM1
I 1~~Kl\~'¡3~~1
~
••••
I .
I
@l •....
I
KlIH Kl\11
I
t
iX2X31:141
Xl 'X2!X3!::'ixs! ,\1
Proceso 2
Proceso 3
X6 !
PROCESO 1
X: son funciones de programa o actuadores no manuales. M1: inicio manual. ••• El proceso se repite automática mente. El proceso se repite 10 veces y se detiene PROCESO 2
X: son funciones de programa o actuadores no manuales. M1: inicio manual. •.. : El proceso se repite automáticamente. El proceso se repite 10 veces y se detiene.
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
185
TEORÍA Y LABORATORIO
Controlador Lógico Programable
PROCESO 3 X: son funciones de programa o actuadores no manuales. Mi: inicio manual ..• : El proceso se repite automáticamente durante 10 ciclos. Se debe dar una indicación sonora cuando completa el lote de 10 productos Luego se vuelve a iniciar manualmente. Durante el tiempo X6 se debe dar una indicación visual indicando que un producto quedó completamente terminado. PROCESO 4
-) X: son funciones de programa.
Mi: inicio manual. M2: sensor detector de posición. Cada vez que M2 se accione, se da indicación luminosa que debe tardar el tiempo Xl; esta alarma indica que se completó un producto . •:.: El proceso se repite automática mente 20 veces y se detiene; esta situación se avisa con una alarma sonora, indicando que un lote de 20 productos se completó, luego se reinicia con Mi. PROCESO 5 11II2
~-KM2--~1 ~-K!l-f2-",--t I T1 Xl
I
Kl\U
:¡ X2
I
~
KMI
I: X3 ¡Kl\U X4 ¡ X5 I¡ X6
I Xl
I
KM3 j
¡
....
X8
!
11II1
X: son funciones de programa o actuadores no manuales
Mi: inicio manual. M2: es un sensor fotoeléctrico que se acciona cuando es interrumpido. que opere M2 se da indicación luminosa durante el tiempo X8 .
Cada vez·
•••: El proceso se repite automáticamente. El proceso se repite 5 veces y se detiene; cuando se llega a esta situación, se da una alarma sonora para indicar que un lote de 5 productos se terminó. Se reinicia con Mi. PROCESO 6 X: son funciones de programa o actuadores no manuales
Mi: inicio manual. M2: sensor mecánico. cada vez que opere M2 se da indicación luminosa durante el tiempo X8. Luego, otra indicación luminosa queda activa hasta que se vuelva a accionar Ml. Si pasan 10 segundos y no se acciona M1, se da una alarma sonora, que indica falta de materia prima KM3. Kl\I2
I
KM3
I KM2 Kl\U
I
I Kl\I3
¡
11II2
lxllX2! I 11II1
X3
X4 i x5ix61xl
: X8
~ 11II1
...
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
186
5. Controlador Lógico Programable Si por circunstancias propias en el proceso el detector M2 no se acciona antes de transcurrir 10 segundos¡ se da otra señal de alarma (diferente a las anteriores), automáticamente apaga KM1 y KM2 Y después de 10 segundos¡ tiempo en que la alarma permanece activa¡ se puede reiniciar el proceso manualmente. Mediante un contador se cuentan 20 ciclos completos; cuando M2 no operó y se opera el temporiza_ dor¡ entonces la cuenta del contador se reduce en uno. Se debe incluir una señalización para cuando la cuenta llegue a 20 y otra señalización cuando llegue a cero.
I KMI I
,~I _,...KlI_ll_...L-~
la'w12···· 1{I\·13···· ~" ....
~IKlII2Kl1u
~X3!X4
Ml Proceso 7
M2 Proceso 8
. : . tX5 ¡ X6 j
M3'
.
Proceso 9
PROCESO 7
X: son funciones de programa o accionamiento no manuales.
MI:
inicio manual
•••: El proceso se repite automáticamente. Cuando se completen 10 productos¡ el proceso se detiene; alarma. Luego se reinicia manualmente
esta situación se debe avisar con una
PROCESO 8 X: son funciones de programa. MI:
inicio manual. M2¡ M3: son sensores .
•••: El proceso se repite automáticamente. M2¡ M3: sensores. Cuando se accione M2¡ activa una indicación luminosa que permanece encendida hasta cuando se active M3¡ y cuando accione M3¡ se dará otra indicación¡ también luminosa¡ que permanecerá encendida durante el tiempo X5. Luego¡ durante el tiempo X6¡ una tercera indicación luminosa indica que el proceso de fabricación de un producto termina e inicia la elaboración de otro producto; luego del tiempo X6¡ se inicia automáticamente. Un contador lleva el conteo de repetición del proceso. Cuando llega a 10 cuentas¡ el proceso se termina (un lote de 10 productos fabricados) y se reinicia manualmente con MI. Cuando completa un lote se da indicación sonora¡ que permanece activada¡ hasta que se reinicie manualmente otro lote. PROCESO 9 X: son funciones de programa. MI:
inicio manual. M2¡ M3: sensores .
... : El proceso se repite automáticamente. M2¡ M3: sensores. Cuando se accione M2¡ activa una indicación luminosa que permanece encendida hasta cuando se active M3¡ y cuando accione M3¡ se dará otra indicación¡ también luminosa¡ que permanecerá encendida hasta que termine el tiempo X3. Luego¡ durante el tiempo X4¡ una tercera indicación luminosa indica que el proceso de fabricación de un producto termina e inicia la elaboración de otro producto; luego del tiempo X4¡ se inicia automáticamente. Un contador lleva el conteo de repetición del proceso. Cuando llega a 10 cuentas¡ el proceso se termina (un lote de 10 productos fabricados) y se reinicia manualmente con MI. Cuando completa un lote se da indicación sonora¡ que permanece activada¡ hasta que se reinicie manualmente otro lote.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
187
5. Controlador Lógico Programable PROCESO 10
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KIl12
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X4
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X: son funciones de programa.
Ml: inicio manual. M2, M3: detectores fin de carrera. Cuando se accione M2, se activa una indicación luminosa que permanece encendida los tiempos X3+X4+X5, y cuando se accione M3, se dará otra indicación, también luminosa, que permanecerá encendida durante el tiempo X5. Luego el proceso inicia automática mente. Un contador lleva el conteo de repetición del proceso. Cuando llega a 10 cuentas, el proceso se termina (un lote de 10 productos fabricados) y se reinicia manualmente con Ml. Cuando completa un lote se da indicación sonora, que permanece activada, hasta que se reinicie manualmente otro lote. PROCESO 11 !
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M1
I
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Ml
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X: son funciones de programa o actuado res no manuales. Ml: inicio manual. Las tres cargas se desactivan mediante el detector mecánico M2. Entonces, cuando se acciona M2, las tres cargas se desactivan y una indicación luminosa permanece activada durante lOs, tiempo que indica que un producto se completó. Dentro de este tiempo no debe responder M1. Luego de este tiempo, se puede accionar M1 para iniciar la fabricación de otro producto. Si en lOs no se acciona M1, el proceso se reinicia automáticamente; esta situación indica que hay suficientedJlateria prima para completar otro producto. Mediante un contador se lleva el número de veces en que se completa un producto, así cuando se tengan 20 productos, se ha completado un lote y esto se indica con una alarma sonora. Se debe llevar un conteo, aparte, de las veces en que el pulsador de arranque M1 no fue accionado y el proceso reinició automáticamente. Este conteo es un registro para el control de producción y control de operario . •••: El proceso se repite. PROCESO 12
~
KM1
Ki.l4
T .'.11
T
T
...
AUTOMATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
188
Lógico Programable
El proceso 12 tiene el diagrama de secuencias mostrado en la figura. Se inicia con un pulsador manual y todo el proceso es temporizado; los tiempos se pueden escoger arbitrariamente (sin embargo el proceso real debe tener tiempos perfectamente definidos). Cuando termina el proceso{ se reinicia automáticamente. Con un contador se lleva el conteo de cada proceso{ de modo que cuando el contador acumule 20{ significa que se han terminado 20 productos y el proceso termina; se debe indicar este estado con un piloto que prenda y apague rítmicamente. Se reinicia manualmente con M1. Hacer las consideraciones que crea convenientes para mejorar el proceso. PROCESO 13 SUB-PROCESO
SUB-PROCESO
1
I
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l
2
KM2
~,KM3
rx7TxÍJf
I!
SUB-PROCESO
1
T2
J:
La fabricación de un producto posee dos subprocesos: SPl y SP2. El primero tiene la secuencia mostrada en la figura izquierda mientras que el segundo se muestra en la figura derecha. Inicia el SP1 al accionar un pulsador Ml y cuando termina el paso XS un temporizador se activa durante el tiempo T1. Si antes de que termine el tiempo T1 se acciona un sensor de temperatura{ inmediatamente se inicia el SP2{ se desarrollan los pasos X6 a X8{ y al terminar el tiempo de otro temporizador T2 reinicia automáticamente el SP1. Durante el tiempo T1 se activa un aviso luminoso{ que indica esa situación de espera Este aviso se apaga en el instante en que se accione el sensor. Si el tiempo T1 transcurre y no se acciona el sensor térmico{ se considera que la primera fase de fabricación está incompleta y se reinicia automáticamente el subproceso 1. Cada vez que se realice el proceso completo (los dos subprocesos){ un contador lleva la cuenta; al llegar a la cuenta de 1O{ se considera que se ha completado un lote de 10 productos{ entonces se da una indicación luminosa y el proceso se detiene completamente. Se reinicia accionando M1. Es importante{ para efectos de control de calidad y optimizar los tiempos de fabricación conocer el número de veces que el subproceso SP1 no estuvo completo{ así que se debe llevar este conteo{ para obtener una estadística cada que se completen 10 lotes.
X: son funciones de programa. M1: accionamiento manual de arranque del proceso Los puntos suspensivos en el diagrama indican que el proceso se repite automáticamente. PROCESO 14 En la fabricación de un producto se mezclan las materias primas adecuadas y en las proporciones previstas para su obtención. Esto se realiza en un proceso principal{ en donde se obtiene el producto 1. A partir de este producto{ y añadiendo una materia prima (KMS) se puede obtener una variedad de producto especial (producto 2){ y si se añade otra materia prima al producto inicial (KM6){ se obtiene otro producto especial (producto 3). El proceso para fabricar el producto 1 y cualquiera de los otros dos productos{ contiene una secuencia principal que inicia manualmente al accionar el pulsador PO y termina al accionar X5 que energiza la carga KM4 (es una alarma sonora). Si antes que termine el tiempo en que está activada KM4 se
~
.•
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
189
5. Controlador Lógico Programable acciona uno de los dos pulsadores Pl o P2, se apaga la alarma sonora y el proceso pasa a desarrollar las secuencias auxiliares indicadas (KM5 o KM6) respectivamente- terminando toda la secuencia. Si al transcurrir el tiempo en que está KM4 activa no se activan los pulsadores P1 o P2, la secuencia principal se repite automáticamente luego que transcurra otro tiempo t. Este tiempo t debe ser indicado.
t
PROCESO PRINCIPAL (PRODUCTO 1)
KM1 KM2
po'!
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Jd;
________________
i
KM1
I
... .1
h J.1TI I KM3
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K[M1
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t ¡ I:""'_jl P_2____
fL 1,
K~5 SUBPROCESO (P2)
t,
I ~I ~ KM6 IJ' l__ __2~~~~~~~_~ (P~)
Un lote de cada producto lo conforman 10 productos terminados. Si el lote de P1 se completa, auto_ máticamente continuará la producción con el P2 y cuando este se completer continuará automática_ mente con P3 hasta completar el lote. Si se completa primero el producto P2 o P3r en adelante la fabricación continúa automáticamenter completando P1 y luego P3 o P2r respectivamente. Cada vez que se complete el lote de un productor se debe dar una indicación luminosa; esta indicación perma_ nece activa todo el tiempo hasta que se completen todos los lotes. En el caso que se accionen simuL táneamente los pulsadores P1 y P2r la secuencia se detiene y se activa una lámpara intermitenter indicadora del fallo. Para esta situaciónr el proceso continúa con el proceso principal. PROCESO 15
M1
Un proceso contiene dos fases como se indica en la figura. La primera fase se inicia manualmente y finaliza luego de transcurrir el tiempo X3. Se tiene un sensor que únicamente opera dentro del tiempo X3; si el sensor se activa antes que termine el tiempo X3r el proceso pasa a desarrollar la fase dosr luego de haber completado el tiempo X3. Pero si no activa el sensorr luego de transcurrir el tiempo X3, la primera fase se repite automáticamente. Es necesario colocar una alarma que permanece funcionan_ do el tiempo X3r y al accionar el sensor, la alarma se apaga. Si el tiempo X3 transcurre y no se acciona el sensorr se considera que la primera fase de fabricación está incompleta. Cada vez que se realice el proceso completo (las dos fases)r un contador lleva la cuen_ ta; al llegar a la cuenta de 10, se considera que se ha completado un lote de 10 productosr entonces se da una indicación luminosa y el proceso termina. Se reinicia accionando M1. Es importanter para efectos de control de calidad y optimizar los tiempos de fabricación conocer el número de veces que la fase 1 no estuvo completar así que se debe llevar este conteor para obtener una estadística cada que se completen 5 lotes. .
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
190
5. Controlador Lógico Programable PROCESO 16
-
KM1
X
X1
I
T
l
X3 X2 X4 KM2. IPROCESO l' T1t ~~~I
r "" 1
r
1
PRINCIPAL
~1
X5
SUB PROCESO
KM3
KM5
KM6
I
1 1
X6 X7
En la fabricación de un producto se hacen las mezclas adecuadas de distintas materias primas en un proceso indicado como principal; pero, si antes de terminar este producto, se acciona un pulsador, este producto se lleva a otra parte identificada como subproceso, en donde se le adicionan otros componentes para obtener un segundo producto con características diferentes al primero. Si no se acciona el pulsador, el primer producto continúa en el proceso principal, completando este producto. La siguiente explicación, detalla el proceso: Un proceso está formado por dos partes: uno principal y un subproceso, como se indica en la figura. El funcionamiento es el siguiente. Se inicia el proceso principal accionando un pulsador M1, energizado secuencialmente las cargas KM1, KM2 Y KM3. Luego del tiempo T, en que termina de operar la carga KM3, se enciende un piloto representado como KM4 y que permanece activado un tiempo Tl. Si antes de que transcurra este tiempo se acciona un pulsador manual X, el piloto se apaga y la secuencia desarrolla el subproceso, pero si transcurre T1 y no se acciona el pulsador, se continúa el proceso principal; cuando termina en la acción X5, se considera que terminó de fabricarse el producto y se debe reiniciar manualmente con M1 otro producto. Es necesario, para ayuda al operario, dar indicaciones cuando se está fabricando el primer producto y cuando se está fabricando el segundo producto. Un contador lleva el conteo de las veces que se completa el primer producto y otro contador lleva el conteo de las veces que se termina el segundo producto; un lote de cada producto tiene 10 unidades. Si en la fabricación, el primer producto completa un lote, necesariamente y en forma automática se forzará a completar el lote del segundo producto, sin que responda el pulsador manual X. En igual forma, si se completa primero el lote del segundo producto, se forzará automáticamente, a completar el lote del primer producto. Es necesario que cuando active el piloto KM4, este prenda y apague intermitentemente. PROCESO 17 Considere el proceso 16. Para optimiza los tiempos de producción y reducir pérdidas en el proceso, se debe programar la cantidad de productos 1 (proceso principal) y del producto 2 (subproceso) que tienen los lotes. Entonces, se inicia la fabricación accionando el pulsador M1 y automáticamente debe producir inicialmente el lote del subproducto y luego el lote del producto principal. Entonces, desaparece el pulsador X y en el ins_ tante en que termina el tiempo T pasa inmediatamente a realizar el subproceso, esto para el producto 2. y para el producto 1, la carga KM3 aumenta su acción en el tiempo T + X5 y el proceso principal se repite automáticamente hasta completar el lote programado de este producto. Es necesario que se adicionen indicadores para cuando se está fabricando el producto 1 y para cuando se fabrica el producto 2.
A!i
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
191
5. Controlador Lógico Programable
PROCESO 18 Una planta en su proceso contiene un proceso principal (PP) y dos subprocesos: SPl y SP2. Para iniciar la producción se acciona el pulsador Mi de Start, arrancando la operación del proceso principal. Cuando termina el paso X3 se enciende un indicador (KM4), el cual permanece activado un tiempo T (hacer que este indicador prenda y apague intermitentemente). En esta parte cabe la posibilidad que uno de dos sensores (S) se accione; si acciona un sensor Si se interrumpe el indicador KM4 y pasa el control al subproceso SP1; si el sensor que se activa antes de terminar T es S2 el control del programa pasa a desarrollar el SP2. Si pasa el tiempo T y no acciona los sensores, se reinicia automática mente el proceso principal. No es posible que los dos sensores se accionen simultá_ neamente. Después de desarrollar cualquiera de los subprocesos, termina el proceso y se debe iniciar el proceso principal con el pulsador M. Se tiene un contador para cada uno de los eventos, así: se lleva conteo si el proceso principal se repite automáticamente y se tiene conteo independiente para cada uno de los subprocesos. Cuando el conteo de las veces que el proceso PP se repite automática mente llega a 3, se interrumpe todo el proceso, limpia este contador y se da una alarma sonora que indica falla (es posible que una de las variables esté fallando o no hay materia prima en alguna de las partes del proceso). En cuanto a cada subproceso, se cuenta 5 veces para cada uno y luego de llegar a ese número (independientemente para cada subproceso) se da una indicación que es diferente y particular para cada subproceso y el subproceso que complete el número programado, no permitirá más conteos, hasta que el otro subproceso complete también su conteo programado; así que cuando ambos subprocesos completen cada uno 5 veces, se termina todo el proceso de fabricación y se reinicia desde el comienzo, limpiando todos los contadores. Los testigos de terminación de cada lote deben permanecer encendidos mientras se completa el otro subproceso. Cuando ambos subprocesos completan el lote, estos testigos se apagan. Cada vez que se complete un subproceso, se restará uno al contador del proceso principal. SUB PROC ESO S P 1
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SUBPROCESO
KM_1_~I;, ¡
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X4
X5
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KM_l __
SPl
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Xl
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X: son funciones de programá, M: inicio manual, S sensor. PROCESO 19 Este proceso lo conforma un proceso principal y un subproceso. El primero se inicia al accionar un pulsador M y cuando termina el paso X2 una lámpara intermitente, permanece un tiempo T en ese estado. Si antes de completar el tiempo T un sensor S de nivel es accionado, el proceso principal se interrumpe, apaga la lámpara indicadora y continúa con el subproceso, pero si el sensor no se acciona, y completa el tiempo T, el proceso principal continúa, termina y reinicia automáticamente. Si se desarrolla el subproceso, al terminarlo se reinicia automáticamente el proceso principal. Un contador lleva el número de veces que pasa por el subproceso, así cuando completa 5 veces, significa que se ha completado un lote, termina todo el proceso, se da una señal audio visual y se debe reiniciar el proceso principal manualmente.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
[§:
Xl X2 T3 T3 SIKM3 KM2 KM5 I IKM3 T2 I T6 ~Tl T5
Tt
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~
PROCESOT4 PRINCIPAL
KM2
r
r
I
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SKM2
192
SUB PROCESO
~
1
Si el proceso principal se repite dos veces consecutivas, es decir, transcurre el tiempo T completa_ mente sin que el sensor actúe, significa que la materia prima suministrada en KM3 no es la suficiente, así que a la tercera vez consecutiva que alcance el tiempo T, la carga KM3 prolonga su tiempo de actuación de T2 a 3T2 (es decir, triplica el tiempo inicial). Si vuelve a iniciar el proceso y por cuarta vez consecutiva, no se acciona el sensor, el proceso se detiene y se activa una alarma sonora. Esto signifi_ ca que definitivamente no hay materia prima. Cuando la materia prima faltante se introduce, se inicia el proceso accionando el pulsador de arranque M. Es importante tener en cuenta que los productos terminados en el subproceso se han acumulado, así que al solucionar el problema de la materia prima faltante y reiniciar el proceso principal, el número de productos terminados, seguirá incrementándose hasta terminar el lote previsto. X: son funciones de programa.
M: inicio manual. T: temporizadores .
•••: El proceso se repite automática mente. PROCESO 20 Una planta tiene un proceso principal y dos subprocesos como se observa en la siguiente figura. PROCESO KJ,\1 M
I
l'
Xl X2 Tl
PRINCIPAL
KM2
¡
l'
I
T3 T2 X3
SUB PROCESO
1
KM1
PROCESO PRINCIPAL
SUBPROCESO
1
T5
T5
T3
El proceso principal inicia manualmente con un pulsador M y se repite automáticamente 2 veces. Cuando se completa este número de veces, efectúa el subproceso 1 dos veces y repite automática_ mente el proceso principal otras dos veces, al cabo de las cuales desarrolla nuevamente el subproceso 1 dos veces. Esta secuencia se repite; cuando el subproceso 1 se ha llevado a cabo 5 veces completas, pasa el control al subproceso 2, procesa este una vez y retorna a aesarrollar dos veces el subproceso 1. Cumplido este ciclo, se considera que termina un producto completo. Para reiniciar todo el proceso, será necesario accionar M.
193
AUTOMATlZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO S. Controlador Lógico Programable
Es importante señalizar cada uno de los subprocesos, como también, todo el proceso.
con alguna alarma el final de
En resumen, un producto terminado tiene la siguiente secuencia: PP 2, SP1 2, PP 2, SP1 2 SP1 completa 5 veces la secuencia anotada, sigue SP2 1, SP2 2 completa producto
000
cuando
X: son funciones de programa o accionamientos no manuales. M: inicio manual. T: temporizadores ... : El procesó se repite automáticamente. PROCESO 21 Una planta industrial posee un proceso principal y dos subprocesos como se indica en la siguiente figura. El proceso principal lo conforman cuatro cargas y se inicia al accionar el pulsador P1. PROCESO
PRINCIPAL
KMl
repite tres veces el
n: Pl
KM4 ---T2
Xl
SUB PROCESO
X2 P2 X3
I
••• proceso principal
X4
1
SUBPROCESO KM8
KM5 KM6
KM?
T3
Sl
2
I
I , T4
X5
X6
repite proceso principal
KM9
T5, S2 X8
KM10 I I ;T61
X9
repite proceso principal
Xl0
Ese proceso se repite automáticamente tres veces luego de las cuales, cuando llega a la acción X4 se activa una alarma sonora que dura un tiempo T (T > T4). Si antes de terminar el tiempo T acciona un sensor 51, se inicia el subproceso 1, pero si acciona el sensor 52, se desarrolla el subproceso 2. En cualquiera de los dos casos se da una indicación sonora señalizando la fabricación de uno de los productos. En el caso de funcionar los dos sensores 51 y 52 simultáneamente, activa una alarma sonora finalizando todo el proceso; esa alarma se mantiene hasta que se opere un· pulsador de parada de emergencia. Una vez termina el subproceso, automáticamente se inicia el proceso principal. Un producto terminado se obtiene cuando el proceso principal se repite tres veces consecutivas y uno de los subprocesos una vez; así que en este proceso es posible obtener dos productos distintos. Un lote lo forman 10 productos y todo el proceso termina cuando se han completado los lotes de los dos prcxJuctos, así que, si termina de completarse el lote de uno de los productos, debe continuarse con el otro producto, hasta completar el lote correspondiente. Cuando termina la elaboración de uno y de ambos lotes debe incluirsen sistemas de señalización. Ahora, si el proceso principal completa su ciclo de tres veces y no se actúa el sensor de uno de los subproceso, luego de transcurrir el tiempo T, se da una señal intermitente que tarda 3T. Si transcu_ o este tiempo no se acciona definitivamente ninguno de los dos sensores, una alarma de emergen_ cia mostrará que hay problemas críticos en el suministro de las materias primas de los subprocesos. La o
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
194
5. Controlador Lógico Programable única forma de desactivar esta alarma es revisando los dos subprocesos. Para continuar con la produc_ ción se debe accionar P1 y la materia prima procesada por el proceso PP se pierde. No se deben reiniciar los contadores de productos terminados, sino que continúa con el conteo acumulado de los dos productos. Si en la producción de 10 lotes de cada producto se presenta la falla anotada tres veces, se debe hacer una revisión a fondo del proceso de producción, así que este número de fallas se debe contabilizar para efectos de estadísticas de fallos. PROCESO 22 SUB PROCESO
PROCESO PRINCIPAL
í¡= I ;
KMl
I
K_M2 __
11
I i Tl
Pl
I
KM5
S3
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KM3
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Xl
X2 X3
proceso ~principal
IKM11
S2
Repite el proceso • • • principal
SUBPROCES02 KM7
I
1
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SUBPROCESO
3
I
~
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proc~so prinCIpal
I
KM2 T7
X8
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I I KM10 I , . T8 ,~ X6
pr~c~so prinCipal
X7
En una planta se fabrican tres productos diferentes. Los tres productos tiene en común un proceso principal y el terminado de cada producto se realiza en un subproceso particular. La fabricación puede realizarse automática o semi automáticamente, en la siguiente forma: Automáticamente se programa la cantidad de productos a fabricar en cada subproceso; por ejemplo, si cada lote está conformado por 10 productos de cada variedad, se programa previamente este número y se inicia cuando se acciona el pulsador de inicio Pl. entonces, inicia el proceso principal y cuando culmina, al transcurrir el tiempo TI, pasa al subproceso 1, lo termina y reinicia automáticamente el proceso principal, repite el número de veces programado; terminado el primer producto, hace exactamente igual para los otros dos productos, hasta terminar los tres lotes. Culminada esta operación, se da una alarma sonora que indica la culminación de todo el proceso de fabricación. Para el proceso semiautomático, se inicia el proceso principal y al accionar X3 comienza a transcurrir el tiempo TI, y una alarma indica que se debe accionar uno de tres sensores. El sensor que se accione antes de terminar este tiempo, apaga la alarma y sigue con el subproceso correspondiente al sensor accionado. Si no se acciona sensor, el proceso principal se repite otra vez y si en esta segunda ocasión al transcurrir TI no se acciona sensor, el proceso pasa automáticamente a desarrollar el subproceso 1. Esta secuencia se repite la cantidad de veces que sean necesarias para completar el lote del primer producto; idéntico proceso sucede para los otros subprocesos. Sin embargo, mediante un contador, se va acumulando las veces en que el sensor no fue accionado de manera que si antes de completar un lote se han acumulado 5 veces, una alarma se accionará, detendrá todo el proceso y la única forma de reiniciar es mediante otro pulsador que se encuentra en otra sección de la planta. Si accidentalmente se accionan dos o los tres sensores simultáneamente, el proceso se detiene completamente indicando con otra alarma sonora y un piloto intermitente, que permanece hasta que se acciona un pulsador de parada de emergencia.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
195
Las funciones X indicadas en el diagrama de fases (Xl, X2, ...) son de libre selección de los diseña_ dores. Hacer las consideraciones que crea convenientes para mejorar el proceso. Se debe incluir un pulsador de parada de emergencia.
PROCES023
PROCESO PRINCIPAL KMl T3 X4 X2Xl X3 KMO I KM4 Sl S3
¡
KM3~
S2 KM2
!
I
T2
SUB PROCESO 2
SUBPROCESO 1
KM8
I[ Sl
KM5 KM"
[
~D ·T4
X6
X7
X8
~
proceso principal
I
IKM91 . T5 S2 Xl0 Xl1
proceso principal
X9
SUBPROCESO 3 KM10
I
I KMll KM12
S3
T7 X12
proceso principal T6 X13
En una fábrica se producen tres productos de manera que en su fabricación se dispone de un proceso principal que es común para los tres productos y, luego, en subprocesos independientes se aseguran las especificaciones particulares para cada producto. La situación se ilustra en el diagrama de tiempos. Como se indica en la figura, la fabricación inicia con el proceso principal al accionar el pulsador P1. Al llegar al paso X4 una señal sonora que dura un tiempo T2, indica que se debe seleccionar uno de los subprocesos. Si al transcurrir el tiempo T2, no se acciona ninguno de los sensores, se activa una carga KMO de espera que tarda activada un tiempo T3, tras lo cual, nuevamente se inicia la señal sonora. Si se activa tres veces KMO, se considera que el producto se ha perdido, así que se da una señal de alarma que bloquea todo el proceso. La única forma de restablecer el proceso, es mediante un pulsa_ dor de emergencia; se hacen las correcciones y se reinicia con Pl. Cuando se acciona uno de los tres sensores, se desarrolla el subproceso correspondiente, luego del cual, se reinicia el proceso principal automáticamente. Un producto terminado implica que un
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
196
5. Controlador Lógico Programable subproceso se repita 3 veces¡ sean consecutivas o no; luego de cumplidas este número de repeticiones¡ el sensor no responde¡ hasta que todos los subprocesos completen¡ cada uno las tres veces programadas. Completados los tres productos finales¡ el proceso se reinicia con el pulsador PI. Las funciones X indicadas en el diagrama de fases (Xl¡ X2¡ ...) son de libre selección de los diseña_ dores. Hacer las consideraciones que crea convenientes para mejorar el proceso. Se debe incluir un pulsador de parada de emergencia. El número de veces que se activó KMO se acumula¡ así que si se repite 9 veces antes de completar los tres productos¡ el sistema se bloquea¡ una alarma se activa indicando malfuncionamiento de los sensores¡ y la única forma de reiniciar las secuencia es mediante un pulsador que se encuentra en la sala de control de la planta. Los productos terminados hasta ese momento no se pierden¡ así que cuando se reinicia la fabricación, se continúa hasta terminar los lotes previstos. PROCESO 24 El proceso se ilustra en la figura
®
TRAYECTORIA
Pl:
M41824M TRAYECTORIA
P2:
M42635M TRAYECTORIA
o o
CD
P3:
M71435M
®
D
TRAYECTORIA
P4:
M4281435M TRAYECTORIA
P5:
M5362817M TRAYECTORIA
®
P6:
M4362814M
Consiste en unas pistas que son recorridas por un AGV (Automated Guided Vehicle) y en diferentes partes de las pista se ubican tolvas que contiene distintos materiales (en total 8 tolvas). Dispone de un panel con seis pulsadores (Pl a P6), con los que se establece trayectorias del móvil perfectamente definidas. El punto de partida y de retorno siempre se hace a la zona indicada como M. En cada una de las zonas de tolva, el móvil debe permanecer un tiempo determinado para asegurar que se deposite la cantidad de sustancia requerido. Por ejemplo¡ si pulsa Pl el móvil parte de M¡ llega a la tolva 4 y se detiene el tiempo programado¡ luego parte hacia la zona 1 y repite la secuencia¡ luego sigue a la zona 8¡ y así sucesivamente¡ a las zonas 2, 4 para finalizar en la zona M en donde se descarga. Es importante tener en cuenta en el diseño¡ que mientras el móvil no esté en la zona M¡ ninguno de los pulsadores tiene efecto, únicamente cuando el móvil esté posicionado en la zona de descarga, los pulsadores pueden actuar.
r
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
197
PROCESO 25
o ,.
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El proceso 2.5 es semejante, en principio, al proceso 2.4. Sólo que ahora, se deben establecer seis trayectorias distintas, con la condición que en un recorrido del móvil, ninguna de las tolvas se puede repetir y el móvil debe pasar mínimo por cuatro tolvas. PROCESO 26 Desarrollar el proceso 2.5 pero previamente se deben programar las rutas de desplazamiento del móvil, de manera que automáticamente realiza las seis trayectorias. Cada vez que llegue a la posición M, una alarma se debe activar durante un tiempo mayor que el tiempo que tarda el móvil bajo cada tolva. Cuando termine de recorrer las seis trayectorias, un indicador luminoso intermitente mostrará que se ha completado todo el programa. PROCESO 27 Tiene como base el diagrama del proceso 2.5. Se dispone de un programador de 8 pulsadores y el objetivo es que el móvil descargue material que se depositó en la zona M en tres zonas distintas, así: si se accionan los pulsadores 4, 3 Y 6, el móvil se desplaza a cada uno de esos puntos y se detiene en cada zona durante un tiempo determinado para asegurar la descarga del material. Cuando termina retorna a la zona de carga (zona M). Allí carga otra vez y se programa otra secuencia de tres zonas distintas. A)
Diseñe el proceso si el móvil selecciona las zonas programadas de menor a mayor, por ejemplo, si se programó descarga en las zonas 4, 1 Y 7, el móvil las selecciona automáticamente en el orden 1,4 y 7.
B)
Diseñe el proceso si el móvil selecciona las zonas, de acuerdo al orden en que se programó, sin alterar, así que si se programa descarga en las zonas 4, 1,7, ese sea el orden de descarga.
C) Diseñe el proceso si el móvil selecciona las rutas más cortas. Para cualquiera de los tres casos anotados, las estaciones por donde vaya pasando el móvil, deben quedar con una señal luminosa encendida y cuando el móvil llega a M, todas las señales se áesactivan. En ningún caso, en la selección de las rutas, se debe pasar por la zona M, sólo cuando se terminan las rutas programadas, regresará a esta zona.
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
198
5. Controlador Lógico Programable PROCESO 28 Tiene como base el diagrama del proceso 24¡ pero su funcionamiento es el siguiente: El móvil siempre está ubicado en M (se tiene una señal luminosa mientras el móvil esté parqueado allí). Cuando en alguna de las estaciones se tiene carga para transportar¡ allí se da una señal luminosa intermitente; entonces el móvil se debe desplazar a esa estación¡ permanecer el tiempo suficiente para la carga y devolverse a M. Cuando el móvil llega a la estación de pedido¡ la señal luminosa queda permanentemente encendida y luego que el móvil la abandona¡ se apaga. Por ejemplo¡ suponer que en la estación 7 se requiere el móvil¡ entonces en esa estación se activa una señal luminosa que permanece intermitente. El móvil se desplaza a esta estación; cuando lIega¡ la señal permanece encendida y¡ luego de un determinado tiempo¡ cuando el móvil abandona la estación¡ la señal lumino_ sa se apaga. Tener en cuenta que no puede haber pedido de más de una estación¡ es decir¡ si estando una estación activada¡ se activa otra estación¡ esta segunda estación no se tiene en cuenta. PROCESO 29 Considerar el diagrama del proceso 24. Se va a traer material desde distintas tolvas hasta el punto M en donde se mezclan. Por ejemplo¡ se requiere material de las tolvas 5¡ 2 Y 7¡ entonces se programa de manera que estas tres tolvas quedan con una señalización intermitente¡ el AGV parte de M y se dirige hacia la tolva 5; cuando llega allí su indicador queda fijo¡ permanece un tiempo T mientras carga al móvil¡ el indicador se apaga y el AGV abandona la estación y se dirige hacia M; su indicador se enciende. Se descarga el material y el móvil ahora va a la estación 2 y repite la operación¡ lo mismo que con la estación 7. Al finalizar una señal sonora indica que los tres materiales ya están en el punto de mezcla M. A)
Programar para que el número de estaciones sea desde 1 hasta 4 y el móvil siga el orden programado.
B)
Programar para que el número de estaciones sea siempre 3 y el móvil vaya en orden de estación más cercana a la más lejana (en número). Para el ejemplo¡ si se programó las estaciones 5¡ 2 Y 7¡ inicie en la estación 2¡ luego la estación 5 y por último a la estación 7.
e) Programar para que sea lo contrario de lo propuesto en el numeral B)¡ es decir que si se programó las estaciones 5¡ 2 Y 7¡ recoja primero en la estación 7¡ luego en la estación 5 y por último en la estación 2. D) Considerar que la cantidad de material requerida en la zona de mezcla M de cada tolva es diferente; por ejemplo¡ suponga que se requiere 2 partes de material de la tolva 5¡ 4 partes de la tolva 2 y 1 parte de la tolva 7¡ entonces el tiempo de carga en cada estación va a depender de la cantidad de material requerido. Por tanto el tiempo que permanece el AGV en cada estación es variable. Suponga que se puede programar desde 1 parte hasta máximo 5 partes. Programar el proceso de modo que el AGV permanezca el tiempo suficiente en cada estación de acuerdo a la cantidad requerida. Programe para que el móvil recoja en el orden de estación seleccionada. E) Considerando el numeral anterior¡ programe para que el AGV recoja en la estación¡ de acuerdo a la cantidad de material¡ de mayor a menor cantidad¡ esto es¡ recoge en la estación en donde requiere la mayor cantidad de material y finaliza en la estación en donde se programó menor cantidad de material. F)
Respecto al numeral D) programe para que el móvil recoja en la estación de acuerdo a la cantidad de menor a mayor¡ es decir¡ recoge primero en la estación de menor cantidad de material y por último en la estación de mayor cantidad.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
199
G) Considere que de una mezcla particular se requiere gran cantidad, así que el AGV tiene que repetir varias veces el mismo recorrido. Programe para que el AGV repita el recorrido desde una vez hasta cinco veces para la condición dada en el numeral D). H) Repita la situación propuesta en G), de acuerdo a la condición E). PROCESO 30 En una planta de manufactura con disposición de procesos,. tiene la distribución células como indica la siguiente figura.
I
I
----, -- -1--+---+-1----TII ---+__ I I
11
METAL f\1ECÁNICA
---t
I I-1II I TALLER I I TALLER! OFICINA TALLER 2EBANISTERÍA -1-I 3I I TALLER ENSAMBLE BODEGA4 MADERAS PLÁSTICOS INYECTaRAS II I ---L- -- -L
-------
de sus diferentes
I
En la planta se pueden fabricar artículos sólo metálicos, de madera, de plástico, como también produc tos que combinan estos materiales. La siguiente tabla detalla algunos de esos productos.
PRODUcrO Pl
P4
P3
X X X TALLER TALLER 21 3 4
XX
X
P2
Como se observa en la tabla, cuando el producto es de un solo tipo de material, no necesita pasar por el taller de ensamble, mientras que si el producto combina diferentes materiales, se debe pasar por el taller e ensamble. El traslado de estos productos de hace con un vehículo AGV. U
e:z erminado el producto o ensamblado, puede ser llevado a una bodega en donde se almacena, e este artículo forma parte de inventario; pero también el producto se puede llevar a la zona de o, es decir; que el producto es inmediatamente llevado al consumo. Esta decisión, al igual que , los a fabricar se toma y programa en la oficina.
AUTOMATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
200
Lógico Programable
El móvil que transporta los artículos siempre está ubicado en el punto M, en donde está en espera de las órdenes de desplazamiento y recarga de sus baterías. La primera parte del problema es referente al transporte de productos. Suponer que el producto que se fabricó es P1 y se debe llevar a la zona de despacho, entonces se activa una señal luminosa intermitente en el taller 1, el móvil inicia su movimiento hacia allí, entra al taller 1, permanece allí mientras recoge los productos terminados; durante este tiempo la señal luminosa queda fija, luego sale y sigue el recorrido hacia el despacho. No debe pasar por el taller de ensamble. Luego retorna al punto M. Cuando el móvil abandona el taller 1, la señal luminosa allí se apaga. Para efectos de control en la oficina, el móvil debe indicar continuamente en que zonas se encuentra. Igual secuencia realiza para los productos P2 y P3; el único cambio es a la zona en donde se deben llevar los productos finalmente. Suponer que el producto que se fabrica es P4 y se debe llevar a la zona de bodega, así que en los talleres correspondientes se encienden los indicadores luminosos intermitentes. El recorrido que sigue el móvil es: parte de M (el indicador luminoso de M se apaga), se desplaza al taller 1, allí la señal luminosa permanece encendida el tiempo necesario para que el móvil recoja los subproductos elaborados. Abandona el taller 1 (se apaga la señal luminosa) y sigue hacia el taller 4 de ensamble (el indicador luminoso allí queda encendido permanentemente). Después de un tiempo que tarda en descargar, abandona el taller 4 (el indicador luminoso queda encendido) y se desplaza al taller 2, el indicador luminoso de ese taller queda encendido sin intermitencia; tarda el tiempo necesario para recoger los subproductos, luego abandona el taller 2, y se apaga el indicador de ese taller. El móvil se desplaza nuevamente al taller 4, tarda el tiempo requerido para descargar, luego abandona este taller para dirigirse hacia su punto M. Mientras tanto el taller 4 queda con su indicador luminoso intermiten_ te, indicando que está en el proceso de ensamble. Cuando termina, su indicador queda fijo y se da la orden para que el móvil se desplace hacia este taller; luego de cargar los productos finales, el móvil abandona el taller 4, el indicador luminoso del taller se apaga, el móvil se desplaza a la zona de depósito, el indicador luminoso del depósito queda fijo el tiempo que el móvil permanece descargando. Cuando termina, el móvil abandona el depósito (su indicador se apaga) de desplaza al punto de partL da M, en espera de una nueva orden. Mientras no se complete el producto y se deje en la zona de bodega o despacho, el móvil no aceptará otra orden; por ejemplo, para el caso anterior, si está en espera de recoger los productos en el taller 4 y llega una llamada de cualquier otro taller, el móvil no responderá. Elaborar el programa en PLC que cumpla con el proceso anotado. Cualquier sugerencia para mejorar u optimizar el proceso, anotarla, explicándola con detalle. Si en la explicación se presentan confusiones en la interpretación, asumir lo que crea conveniente.
PROCESO 31 Considere el proceso 30, pero el AGV tiene que repetir el ciclo desde una vez hasta 5 veces. Cada vez que completa un ciclo, se da una señal de indicación y cuando completa todos los ciclos programados se da una señal sonora. Fin Laboratorio
2
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
5.8.
201
Diagrama de Funciones Secuencial
En esta sección se estudia en detalle uno de los lenguajes gráficos más completos utilizados en la automatización industrial. Este lenguaje ha sido normaliza_ do por la lEC. Antes de entrar en el tema del lenguaje, se mencionan a continuación algunos aspectos de la norma lEC.
5.8.1.
IEC-6ll31
La norma IEC-61131 es un conjunto de estándares ampliamente acepta_ dos y utilizados como la guía de los sistemas basados en PLCs. Este estándar ha sido establecido con el fin de traer un nivel de compatibilidad entre los fabricantes de PLCs. Así que los fabricantes ahora ofrecen soluciones basadas en un tema común, emple_ ando las mismas herramientas en sus desarrollos de software y conjunto de instruc_ ciones. Entonces, los usuarios pueden moverse entre las herramientas desarrolladas de cada fabricante con la seguridad que sus diseños y desarrollos pueden ser soporta dos por cualquier plataforma. Cuando el estándar fue propuesto inicialmente, se refería como IEC-1131 en algunos países. Sin embargo, muchas otras regiones usaban otro sistema para la documenta_ ción del estándar. A mediados de los 90, la lEC buscó un sistema de numeración que todas las regiones pudieran adoptar, en orden a formalizar el estándar. Entonces se adoptó el número 6 como nueva identificación, así que se creó el estándar IEC-61131. El estándar IEC-61131 está separado en 8 partes. Estas son: 1. Información general. Establece las definiciones y principales características que definen los sistemas de control automatiza_ dos (automation control system) o relaciona sus periféricos.
2. Requerimientos de equipo
y pruebas.
Una de las partes más amplias del estándar es establecer los requerimientos de los equipos específi_ cos y las pruebas para los PLCs y sus periféricos asociados. Esto incluye definiciones de las caracterís_ ticas eléctricas de las señales de entrada y salida, fuentes de potencia y estabilidad de los sistemas.
3. Lenguajes de programación: Esta parte de la norma establece la sintaxis y lenguajes específicos que son utilizados en las aplicaciones programadas. Detalla los distintos métodos de programación que serán empleados, los tipos de datos disponibles, algunas funciones o elementos de programación que serán incluidos en el estándar. Esta sección unifica las herramientas de software, detallando la funcionalidad que será disponible para los usuarios.
4. Guías de usuarios. Esta sección es una ayuda para los uarios finales de los sistemas de control con PLCs. Introduce el estándar IEC-61131 y ayuda a' . ar las principales secciones de la norma que se relacionan en la implementación de una apli
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y .LABORATORIO 5. Controlador
202
Lógico Programable
5. Especificación en los servicios
e
Define los requerimientos de comu" protocolo específico de comunicación llar y que no existen.
ensaje: "' entre PLCs y otros sistemas electrónicos. Establece un la capacidad de interpretar funciones que se puedan desarro_
6. ReselVado: Esta parte está reservada para incluirla posteriormente.
7. Programación de control difuso: Esta parte es reciente y estandarizar el conjunto de reglas basadas en las reglas de la lógica difusa.
8. Guías para la aplicación y lenguajes de programación: ::sta sea::ión es una guía para usuarios de los distintos lenguajes de programación, que son detallados parte 3 del estándar (lEC -1131- 3). Entonces, esta parte establece las normas para los distintos "es de programación y su implementación en las aplicaciones de control industrial. "e 3 (IEC-61131-3), define los tipos de datos comunes. También, obte drá por la manipulación de varios tipos de datos.
define el resultado que se
Los datos comunes son del tipo: booleano, entero, real, BYTEy palabra (Boolean, Integer, Woro). Otros tipos de declaración son datos, tiempo y caracteres.
Real, Byte,
Es posible declarar un dato como global o local. Un dato global puede ser manipulado a través de una aplicación completa, mientras que un dato local se puede operar únicamente con la unidad de programa que lo creó; esto asegura un gran nivel de seguridad en los datos dentro del programa. La organización
de un programa
de control
está basada en una unidad referida
como
Unidad
Organizativade un programa (POU: ProgramOrganizationUni!). Un POU puede ser desarrollado disponibles por el estándar.
usando uno, de un número de diferentes
lenguajes que se hacen
La carta de funciones secuencial (SFC: Sequential Function Charts), según lEC-61131, no es un lenguaje como tal, sino una forma estructural de programa cuyo objetivo es replicar las acciones secuencia les de un proceso. El formato SFC ha sido basado en la norma lEC848 del GRAFCET estándar para la documentación de las operaciones del roceso. En 1992 el lenguaje gráfico SFC fue incorporado al estándar lEC61131-3. Según la norma lEC848, el SFC consiste de pasos (Steps) enlazados con bloques de acción (Action Blocks) y transiciones (Transitions). Cada paso representa un estado parti_ cular del sistema que está siendo controlado. Una transición está asociada con una condición que, cuando es verdadera, provoca que el paso antes de la transición sea desactivado y el próximo paso sea activado. Los pasos son relacionados a bloques que desarrollan cierta acción de control. Cada elemento puede ser programado en cualquier lenguaje lEC, incluyendo el mismo SFC. Resumiendo, la implantación del estándar lEC-61131 en el entorno de control indus_ trial, tendrá un efecto muy positivo, tanto para los fabricantes como para los usua_ rios. Este efecto se verá reflejado no solo en campos de aplicación de los PLCs sino también en sistemas de control basados en PC, sistemas de interfaces (HMl), sistemas de supervisión SCADA y otras áreas relacionadas con la automatización industrial.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
203
5. Controlador Lógico Progra a le
Pero, posiblemente, el beneficio al suario final de adoptar el estándar IEC-61131 será gigantesco, permitiendo más familiaridad y cercanía entre distintos productos, crea_ ción de códigos comunes, permitiendo la portabilidad de códigos de una aplicación a otra: mientras una aplicación ha sido desarrollada usando un sistema de fabricación particular, el código podrá ser portado a otro sistema de fabricación con facilidad; esto significa que un proceso desarrollado y programado para un equipo fabricado por Siemens, por ejemplo, pueda ser también aplicado para otro equipo de un fabricante diferente, como A//an Brad/ey.
5.8.2.
El GRAFCET
El GRAFCET (Graphe Fonctionne/ de Comande Etape/Transition) es un lenguaje desarrollado por la Asociación Francesa para la Cibernética Económica y Técnica AFCET y normalizado según norma internacional lEC 848 (Internationa/ E/ectrotechnica/ Comission). Se considera el modelo mejor adaptado a la parte secuencial de los automatismos. El GRAFCET es un método gráfico de modelado de sistemas basados en automatismos de carácter secuencia!. Presenta cualidades como: claridad, /egibi/idady presentación sintética. Las principales características del GRAFCET como herramienta de modelado de eventos discretos son: • Ofrece una metodología de programación estructurada de forma descendente (TOP DOWN), que permite el desarrollo conceptual de lo general a lo particular, descendiendo a niveles muy precisos de descripción y descomposición en las diversas tareas a llevar a cabo por el automatismo, en sus distin_ tas fases de ejecución y funcionamiento. • Permite introducir el concepto de diseño estructurado, automatismo se estructuran de forma jerarquizada.
5.8.2.1.
de forma
que las diversas tareas del
Elementos del GRAFCET
Los elementos que forman un diagrama GRAFCET son: Etapa: Se define etapa como situaciones del sistema que indican comportamiento estable, con respec to a las entradas y salidas del sistema automatizado. La etapa puede estar activada o no activada. Gráficamente la etapa normal se representa por un cuadrado dentro del cual se coloca un número, que indica el orden en el procesor a o de esta forma, el sentido de secuencialidad. A cada etapa se le asigna u a •s acciones que deben realizarse cuando la etapa esté activa. Estas :e etiquetas en forma de rectángulos situados a la derecha de la acciones se indican gráfica etapa como se indica en la I ~~e 5.48. Dentro del rectángulo se indica, en forma literal o mediante símbolos, lo que debe rear pa. Cuando la etapa está (inscritas en las etiquetas).
, se ':'ecutan sobre el proceso las acciones (operaciones) ,,-=;.·ones pueden ser:
,=e'
referenciadas
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
1
204
-
(B)
Figura 5.48.
Etapas y acciones del GRAFeET (A) Símbolo de etapa: X2. (6) Acción (C) Doble acción
• Reales. Se trata de acciones concretas que se producen en el proceso, por ejemplo, abrir o cerrar na válvula, arrancar o parar un motor, etc. Pueden ser: • Internas.
Son acciones que se producen en el propio controlador tales como, conteos, temporizaciones, cálculos matemáticos, etc.
• E..vtemas.
Se producen sobre el proceso, externamente
del controlador .
• Continuas. La ejecución de las acciones continuas se produce mientras la etapa o lo que esté asociado, esté activa. Ejemplo: Acción A = X23. • Incondicionales:
Son acciones que se ejecutan con solo quedar activada la etapa.
• Condicionales. Requieren el cumplimiento
de una condición adicional a la propia activación de la etapa. En la Figura 5.48(C), cuando la etapa 5 esté activa, realizará incondicionalmente la acción ACCl y condicionalmente la acción ACC2, puesto que ésta también depende de la condición m
ACC2 = m'X5 X5 es el nombre de la etapa en donde está la acción.
• virtuales. No se realiza ninguna acción sobre el sistema. Se usan como situaciones de espera a que se produzcan determinados eventos o se activen determinados las etiquetas están vacías o no tienen etiqueta.
estados del sistema. En estas etapas
Transiciones V Receptividad El concepto de transición se asocia a la barrera existente entre dos etapas consecutivas y cuyo franqueamiento hace posible la evolución del sistema. La transición es un elemento que permite evolucionar o no, de una etapa a la siguiente. Se representa como se muestra e la figura 5.49.
ETAPA TRANSICIÓN-
T-
OPERACiÓN QUE DEBE SATISFACER LA TRANSICiÓN
2 ~'
Figura 5.49.
Transición
La receptividad asociada a una transición es una función Booleana que expresa la condición lógica de la que depende el franqueamiento (paso a través de) de la transición. Para que una transición sea franqueable y el GRAFCET evolucione (continúe) de una etapa a la siguL ente, se deben cumplir las siguientes condiciones:
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Prog e ti le
205
1. Todás las etapas e trada e transición deben estar activas. 2. La receptividad asocia a a la tra sición debe ser verdadera. En la figura 5.49, la función Boolea a e debe realizar la transición (receptividad) es T, entonces: si la etapa 1 es activa y la función lógica T = 1 (verdadera), el sistema evoluciona, es decir que el proce_ so pasa a la etapa 2. La receptividad puede escribirse de forma literal o simbólica y debe situarse a la derecha del símbolo gráfico de la transición. La relación entre etapa y transición presenta las siguientes situaciones:
Ó lf:c) Figura 5.50.
ID)
Diferentes tipos de etapas (A) Normal (B) Inicial (C) Fuente (D) Sumidero
• Etapa normal. con transición en la entrada y la salida (figura S.SO(A)). • Etapa de inicia/ización: es la etapa que se identifica como la inicial del GRAFCET y queda activada al inicio del algoritmo de control. Se identifica porque tiene un doble recuadro. • Etapa fuente: no posee transición de entrada (C). • Etapa de sumidero: elementos.
esta transición no posee transición de salida así que no tiene conectados más
Arcos: Son segmentos de recta que unen la transición con una etapa, pero nunca elementos iguales (dos transiciones o dos etapas consecutivas). Se pueden representar verticales y horizontales. Regla de sintaxis: Las alternancias etapa-transición deben ser respetadas sea cual sea la secuencia recorrida. Dos etapas nunca están unidas directamente sino que tienen que estar separadas por una transición. La figura 5.51 representa un GRAFCET con todos los elementos mencionados.
ETAPA INICIAL ARCO VERTICAL ASCENDEtHE FTAPA 1
TRANSICiÓN ETAPA 2 I
RECEPTIVIDADES ASOCIADAS A lAS TRANSICIONES
,,! 1, 1,
O
. fA,,/f,
e
1
.• _ ~
I I
t.CCIONES
=-1 ASOCIADAS
3
-c "J _"__-
I.¡S
.k.CCIONES ALAETAPAl ASOCIADAS
~ ~I
ALAETAPA2
~!
?!
¡::: I
WL
Figura
5.51.
10 I¡:: I~~ I~--t.-C-CI-O-N-E-S-I --.::.JII I
le -=-==
I~ 1~
.
,= -.J
....• =roa GRAFCET con los elementos básicos. Derecha: Zonas de un GRAFCET
RALELOS (D)
999
AUTO MATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
206
Lógico Programable
Trazos para/e/os. se utilizan para re resentar varias etapas cuya evolución está condicionada por una misma transición. Los trazos paralelos se utilizan para la implementación del concepto de concu_ rrencia entre subprocesos. La figura 5.52(A) muestra un GRAFCET en donde se tienen cuatro etapas y entre ellas se tiene una transición común. Para que el proceso evolucione de las etapas 10 y 11 a las etapas 12 y 13, se debe cumplir: las etapas 10 y 11 tienen que estar activas y la receptividad de la transición común: AB + C = 1 (verdadera). En la figura 5.52(B) se muestra una convención para identificar en un diagrama cuando las etapas están activas: se indica con un punto dentro del cuadro de la etapa. De acuerdo a la convención, en la figura 5.52(C) dos de las etapas superiores están activas, la tercera está activa y la receptividad de la transición es verdadera, sin embargo, no hay franqueamiento a - etapas inferiores.
*'
- ~gura 5.52(D) las tres etapas superiores están activas pero la receptividad de la transición no es ~ a era, así que no hay franqueamiento. I
+§ AB+C
999 999 Y qJ 999 Q '>~' .
(B) ETAPA (E) ACTIVA CONVENCiÓN: NO ACTIVA (C)
--------
GJ ~
(A) TRAZOS
.
~o
(F)
F-~
~'
~o
Figura 5.52. Varias etapas cuya evolución depende de una transición En la Figura 5.52(E) las tres etapas superiores están activas y la receptividad de la transición es verda_ dera, así que hay franqueamiento y el sistema evoluciona a las etapas inferiores, como indica la figura 5.52(F). Al producirse el franqueamiento, las etapas superiores se desactivan.
5.8.2.2.
Reglas de Evolución del GRAFCET
La dinámica evolutiva del GRAFCET viene dada por un conjunto de reglas que se expo_ nen a continuación. Regla 1: La situación inicial de un GRAFCET, caracteriza el comportamiento inicial de la parte de con_ trol frente a la parte operativa, el operador o los elementos exteriores y corresponde con las etapas activas al principio del funcionamiento. Si la situación inicial es siempre la misma, significa que se trata de automatismos cíclicos. Si el auto_ matismo no es cíclico, la situación de partida depende del estado del proceso en el momento de la puesta en marcha de la parte de mando. Las etapas de inicialización se activan en forma incondicional.
(7-
207
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO
5. Controlador Lógico Progre a le
Regla 2: Tiene que ver con el franqueo de una transición. Una transición se dice validada cuando todas las etapas inmediatamente precede tes, unidas a dicha transición, estén activas. El franqueo de una transición se produce cuando: . ./ la transición esté validada ./ y la receptividad asociada a dicha transición es verdadera. Una transición puede estar: validada, no validada y liberada (franqueada). Una etapa se dice activable, si la transición precedente está validada.
Regla 3: Evolución de las etapas activas. El franqueamiento de una transición tiene como consecuen_ cia la activación de todas las etapas siguientes inmediatas y la desactivación de las inmediatas prece_ dentes. Regla 4: Evoluciones simultáneas. Transiciones conectadas en paralelo franquean de forma simultánea si se cumplen las condiciones para ello.
y que son franqueables, se
Las reglas de franqueamiento simultáneo permite la descomposición de un GRAFCET en varios diagra_ mas, de forma que asegura rigurosamente su sincronización. En este caso es indispensable hacer intervenir en las receptividades los estados activos de las etapas.
Regla 5: Activaciones y desactivaciones simultáneas. Si durante su funcionamiento una misma etapa es simultáneamente
5.8.2.3.
activada y desactivada, deberá mantenerse activada.
Estructuras en el GRAFCET
Consiste en una serie de estructuras que dotan al GRAFCET de una gran capacidad de representación gráfica de los automatismos. A grandes rasgos, pueden ser clasifica_ das en estructuras básicas y estructuras lógicas. Las estructuras básicas atienden a concep_ tos tales como secuencialidad y recurrencia y permiten realizar el análisis del sistema me_ diante su descomposición en subprocesos. Las estructuras lógicas atienden a concep_ tos de concatenación entre sí de las anteriores estructuras. Entre las estructuras básicas se tienen: 1. Secuencia única: Esta compuesta por un conjunto de etapas que van siendo activadas una tras otra, sin interacción con ninguna otra estructura. En la secuencia única, a cada etapa le sigue una sola transición y cada transición es validada por una sola etapa. La situación se ilustra en la Figura 5.53(A).
-Tn-: ---
~ I-
;:..o::xlis
-T~· ,
j -
'---r-,¿&-,
Figura 5.53. ~~s
e+
(8)
básicas:(A) Secuenciaúnica(B)(C) Secuencias paralelas
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
208
5. Controlador Lógico Programable
2. Secuencias para/e/as. Es el ea j . de secuencias únicas que son activadas de forma simuL tánea por una misma transición. Después e la activación de las distintas secuencias, su evolución se produce en forma independiente. Cuand se deban desactivar varias etapas simultáneamente, por la misma condición se tiene la estructura desactivación simultánea de etapas. La situación anotada se observa en la figura 5.53(8). Pueden existir estructuras de GRAFCET en las que haya desactivación activación simultánea como se observa en la figura 5.53(C).
simultánea
seguida de una
Las estructuras lógicas OR y ANO son utilizadas para realizar el modelado de los conceptos de secu_ encias exclusivas y secuencias concurrentes. Mediante la utilización de dichas estructuras se contribuye a dotar al modelo de un aspecto legible, ya que los conceptos de secuencialidad y concurrencia pue_ e ser implementados e identificados de inmediato, con facilidad. gencia en OR: En la figura 5.54(A), la etapa n+ 1 pasa a ser activa si la etapa n está activa y se se .• ace la receptividad A; en igual forma se cumple para la etapa n+2, sólo que se debe satisfacer la ad B. . dura lógica se utiliza cuando de lo que se trata es de modelar la posibilidad de tomar dos o secue 'as alternativas a partir de una etapa común. El GRAFCET permite el franqueamiento si . ea e las transiciones participantes de modo que puedan disponerse de forma concurrente. Sin embargo, esta estructura no es la más adecuada para la implementación de la concurrencia, debL do a los problemas de sincronismo posterior. =<;-f.:c
,
Convergencia en OR: La etapa n en la figura 5.54(8) pasa a ser activa si estando la etapa n-l activa se cumple la receptividad A, o si estando activa la etapa n-2, satisface la receptividad de B. Divergencia en ANO. En la figura 5.54(C), las etapas n+ 1 y n+2 pasan a ser activas si estando activa la etapa n, la receptividad de la transición fes verdadera. Mediante esta estructura lógica se implementa el concepto de concurrencia y sincronismo, de forma que dos o más subprocesos del sistema, representados por las secuencias paralelas, pueden activarse de forma sincronizada y después de esto, evolucionar concurrentemente de forma independiente.
(F
~
~
,~A
(A)
~.. B~ ~I~
Figura 5.54.
~,
(B)
~
(C)
(O)
n+l
~
n+2
(E)
.,
~
9., (F)
Estructuras lógicas AND-OR. Divergencia y convergencia
Convergencia en ANO. Esta situación se ilustra en la figura 5.54(0); activas las etapas n-l y n-2, la receptividad fes verdadera.
la etapa n se activa si estando
Secuencias exclusivas. Un problema que tiene el modelo GRAFCET es que si en una divergencia OR, las receptividades de dos o más transiciones son verdaderas cuando se activa la etapa de entrada, entonces las transiciones se franquean y se activan varias etapas a la vez, sin que se haya producido una selección. Para o" er una selección exclusiva entre varias evoluciones posibles a partir de una misma etapa, es ecesa'o asegurar que todas las receptividades asociadas a las transiciones sean exclusivas, es eden ser verdaderas a la vez. Esta exclusión puede ser: ente es imposible, por ejemplo, un producto es del tipo A o del tipo B, pero no de ez. - ad a las receptividades como se observa en la Figura 5.54(E).
F-
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Progra able
209
Secuencias con prioridad: En ocasiones, ante la posibilidad de una activación de dos eventos simul_ táneos, que lleven a la activación no deseada de secuencias diferentes, se puede otorgar a una de ellas un carácter prioritario frente a la otra. El caso típico de esta situación se puede dar en un acceso simultáneo de dos o más subprocesos a un recurso compartido, en donde uno de ellos puede utilizar el recurso durante un tiempo determinado; entonces se da prioridad al subproceso que lo requiere. La situación anotada se ilustra en la figura 5.54(F), en donde la variable A tiene prioridad sobre la variable B, puesto que la primera no es recep_ tiva de la segunda. Se puede plantear una solución que se denomina paralelismo interpretado. En la figura 5.55, estando activa la etapa 1 y la transición A es verdadera (A=l) pero la transición B no lo es (8=0), se activa la etapa 2. Si las receptividades A y Bson verdaderas, se desarrollan simultáneamente las etapas 2 y 4. Cuando la etapa 5 se activa, la receptividad de la transición en la salida de la etapa 5 debe tener en cuenta que las etapas 3 y 4 deben ser activas, a fin de efectuar la sincronización, así que esta transición, definida como X3'X4, asegura que, efectivamente, los dos lazos (lazo de etapas 2 y 3 Y lazo de etapa 4) converjan simultáneamente. Saltos y repeticiones. En el GRAFCET se pueden efectuar saltos condicionales y repeticiones como se aprecia en la figura 5.56. En la figura 5.56(A) se produce un salto desde la etapa n hasta la etapa n+í+1 si la receptividad de su transición de salida A = O, pero si A = 1, se sigue la secuencia sin el salto. En la figura 5.56(8) se presenta una repetición de la secuencia si al llegar a la etapa n+í, la recep_ tividad de la transición D = O, pero si D = 1, no se produce el salto y continúa a la etapa n+í+ 1. Macro etapas. Un conjunto de etapas que se repite continuamente a lo largo del diagrama GRAFCET, puede ser representado de forma compacta en la forma como se ilustra en la figura 5.57. Esta forma de representación se denomina macroetapa.
ñ
, ,
R D n+i+1
--¡ PARELELISMO INTERPRETADO
(A)
r"ACROETAPAS
SALTOS Y REPETICIONES
Figura 5.55. Paralelismointerpretaéo
Figura 5.56. Saltos y repeticiones
Figura
5.57.
Macroetapas
Su objetivo es simplificar los mcdelos ue contienen secuencias repetidas con un mismo número de etapas y transiciones. De esta • abrá que detallar explícitamente la secuencia que se repite una roéX:os a implementar en los programas de los controladores PLCs. sola vez. Esto implica ahorro La macro etapa debe cumpli • La expansión de la macro
'--~
uientes condiciones: -
~ na etapa de entrada (E10 en la ~gura) y una etapa de salida (510).
AUTO MATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA
210
Y LABORATORIO
Lógico Programable
• El franqueamiento de una transición i:nmffiiDta!mente precedente a la macro etapa, activa la etapa de entrada (E) de su expansión . • La etapa de salida (S) participa
en la valida ., n de las transiciones inmediatas y posteriores a la macroetapa.
Como se observa en la figura 5.57, la representación de la macro etapa consiste en un cuadrado con doble trazo horizontal. La figura 5.5S presenta el resumen gráfico de todos los elementos del GRAFCET
0,
.
,
•
--. Uf\lIONES SECUENCIAS S If'·1UL TANEAS CONVERGENCIA RAf"lALES PARALELOS EN ANO
5
•. EVOLUCIOf\lES
I
•. DISTRIBUCIÓN • DIVERGENCIA
•
•
EN ANO
o PARALELAS
SIHUL TAf\lEAS () PARALELAS
•
•. SINCRONICACION •
I
SELECCIÓN
•
DIVERGENCIA
•
COf\'lPLEI'·1ENT AR IDAD
EN OR
SALTO DE ETAPAS
•
• TRANSFERENCIA
• SALTO DE ETAPAS
• ATRIBUCIÓN • CONVERGENCIA
EN OR
~--------I.
SECUENCIAS
FiguraS.S8.
Esquema resumen de los distintos elementos mencionados
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
211
5. Controlador Lógico Programable
Funciones lógicas a partir del GRAFCET'. La implementación de un automatismo mediante lógica programada o cableada a partir del GRAFCET, se realizará de acuerdo a las siguientes consideraciones: El concepto de etapa se asocia al de una memoria binaria, que puede estar activa o desactiva, según esta memoria esté en estado lógico 1 o O, respectivamente. Si la etapa está activada, las acciones correspondientes asociadas a dicha etapa, se ejecutan condicional o incondicionalmente, según el carácter de dichas acciones. La memoria binaria puede implementarse ñsicamente, a través de un relé de enclavamiento o un bies_ table si el automatismo se implementa con lógica cableada. Si el automatismo se realiza mediante ló_ gica programada, el biestable se implementa mediante la programación de la ecuación lógica. A partir de cada etapa de un diagrama GRAFCET, deben obtenerse dos tipos diferentes de funciones lógicas: • •
Función lógica de activación-desactivación de la etapa correspondiente. Función lógica de activación de las operaciones de mando.
La función lógica de activación-desactivación es única por etapa, mientras que las funciones lógicas de las operaciones de mando dependen de la cantidad de acciones asociadas a cada etapa.
Normas Especiales de representación del GRAFCEr. Se presentan algunas configura_ ciones especiales, en que puede estar dispuesto un diagrama GRAFCET y que se derL van de los procesos de automatización industrial; entre estos arreglos se tienen: •
Evoluciones simultáneas
• • •
Acciones temporizadas y de conteo Transición temporizada Acción mantenida
Evoluciones simultáneas. De acuerdo a la regla 4 de franqueamiento simultáneo, permite descom_ poner un diagrama GRAFCET en varios diagramas, asegurando de forma rigurosa sus interconexiones. Ello debe conseguirse haciendo intervenir en las receptividades los estados activos de las etapas, de manera que el estado activo de la etapa n es: En y el estado inactivo de esa etapa es
En.
Esta regla permite el franqueamiento simultáneo de transiciones validadas por etapas situadas en diagramas separados, como se observa en la figura 5.59(A), en donde las etapas 6 y 14 se franquea_ rán simultáneamente, en cuanto sean verdaderas las receptividades de sus transiciones de salida.
, , , ~ACCIÓNA=ll
E6T14
15
¡
~4
11
: ,
~~--~10
(A)
I
::
E20::
T11
:
;:'
E10~ :
='--""S_~
=.;.i',',s-r-i'' ,,
=:.".~
.
ACCIÓNA=O:
~¡12 113
ACCIÓNA=l~.
'--¡-"
¡
-l
t.. =
Figura
5.59.
'
o
TT20
(Sj
(C) (A) Evolucionessimultáneas (B)(C) Accionesmantenidas
:
rL
; L
::
','
~.--! 20 rACCIÓN
'~;3~
ACCIÓtl A
1
:
AUTO MATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
212
Lógico Programable
Acción mantenida: Esta impleme te ., prolongarse mantenida:
durante
del GRAFCET se aplica con acciones cuya ejecución debe dos o más etapas consecutivas. Se pueden presentar dos formas de acción
• Efecto mantenido por acciones continuas no memorizadas: La acción a mantener se repetirá en cada una de las etapas afectadas, lo que asegura la continuidad de la operación. Esta acción se muestra en la figura 5.59(B) en donde la acción A se desarrolla en las etapas 8 y 9.
• Efecto mantenido por acción memorizada: En este efecto la acción se especifica en las etapas de comienzo y final del efecto mantenido, como se uestra en la figura 5.59(C): la Acción A se inicia en la etapa 10 y se memoriza (enclava si utiliza és) y en la etapa 20 se libera del efecto mantenido (desenclava).
'>1PORIZADORES EN EL GRAFCET: En los sistemas automatizados,
pe
el
es frecuente
el uso de
rizadores para la activación-desactivación de diferentes partes de un proceso. En el GRAFCET se e e una descripción de la función tiempo y se ha establecido su implementación a través del r de Lemporización cuya sintaxis es: tjEnjtem
Donde: t indica la variable de temporización, En es la etapa a la que está referida la temporización Temp es el valor de la duración de la temporización.
y
("-.
Las reglas para la utilización de tiempos son: • El operador temporización está ligado a la existencia de una variable lógica de temporización cuyo valor es O mientras dure la temporización y 1 cuando termina. El comienzo de la temporización está basado en la activación de una etapa determinada (En), que es la que se indica en el operador. • Toda desactivación seguida de una activación no simultánea de En durante el proceso de temporización, debe tener como consecuencia la definición de un nuevo origen de tiempo y una nueva temporización que anula la anterior. • Ante una activación y desactivación del GRAFCET.
simultánea,
la temporización
no se inicializa, coincidiendo con la regla 5
• La temporización que se está considerando en un momento determinado sólo afecta a una acción específica de la etapa correspondiente, de manera que establece la duración de dicha acción o únicamente condiciona el ea ienzo de la misma. Pero la transición posterior a dicha etapa no es receptiva a la variable temporización, por lo ue no condiciona el pase a la siguiente etapa. La notación se hace según muestra la Figura 5.60.
r-
ETAPA En --1 ,
r
In:,
''
" "
Acc,óNc~i VARIA8LEDE~ TEMPORIZ.,
, ¡EMP:
~
FiguraS.60.
Temporización
en el GRAFCET y diagrama de tiempos
• La temporización, además, determina la evolución a una nueva etapa. Ello significa la participación del evento final de temporización en la receptividad asociada a la transición posterior a la etapa en cuestión. Su notación debe estar asociada a la transición como se indica en la figura 5.61.
¿:-
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Progre
213
2 le
1 -1--1
L
ETAPA En ~
-
ACClÓNC
L
ACCIÓNC~
I
¡
i
VARIABLE DE TEMPORIZ,
~TEMP--'
Figura 5.61. Evolución de una etapa por temporizadón
Hay cuatro tipos de temporizadores: • • • •
Temporizador Temporizador Temporizador Temporizador
con con por con
retardo a la conexión (TON/) retardo a la desconexión (TOF/) pulso (TP/) retardo a la conexión memorizada (Xn.T)
Tomando como referencia el formato para los temporizadores: tjEnjtem Entonces los tipos de temporizadores
se escriben como:
TONjEnjtemp,
TOFjEnjtem,
TPjEnjtemp,
XnTjEnjtemp
En es la etapa o la variable a la que se refiere la temporización y temp es el valor de la temporización. Las bases de tiempo (BT) utilizadas se presentan en la siguiente tabla: Base de tiempo
51mbo!o
dia
di
hom
1J!
ll1ínuto
nv
segundo
s;
i\lilésil1l.3
de- segundo
T / Var_a / T# n BT/ TOU TOF TP Xi.T
I Var a I I Var-a I I
I
Var-a Var-a -
I
I
T# T# T# T# T#
ndl nhl
nml nsl nmsl
Temporizador con retardo a la conexión (TON): En la figura 5.62 se ilustra el funcionamiento del temporizador a la conexión. ". V2T_3.e-.':a
"!._:..a....:
:~
~
)
J
2
Figura 5.62. co
.•
t t
-¡¡;"'F';'l.',·"">JT"lOsI
If,jT TOO.;'¡;·J..VULA/T~lOsJ
grama de tiempos de la respuesta de un temporizador a la (derecha)
{i:r.~ffi~). Ubicación del temporizador en una transidón
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
214
5. Controlador Lógico Programable Cuando la Var_a¡ en este caso VALVULA¡ pasa a alto (flanco de subida de la variable en el evento 1)¡ se inicia la temporización y al completar el tiempo programado (evento 2)¡ la receptividad de la transición pasa a verdadera; esto sucede para la operación: TON/VALVULA/T#lOs. En el evento 3¡ la variable VALVULA se desactiva (flanco de bajada)¡ luego se desactiva la transición. En el evento 4 se presenta flanco de subida de la variable¡ pero antes del tiempo programado¡ en el evento 5¡ se desactiva¡ así que no se presenta cambio en la transición. En el evento 6¡ nuevamente la Variable VALVULA se activa y justamente¡ al completar el tiempo programado del temporizador¡ en el evento 7¡ se desactiva; observe que se presenta un transiente en la transición en ese instante. Para la operación negada: NOT TON/VALVULA/T#lOs¡
es contraria la respuesta.
Temporizador con retardo a la desconexión (TOF): El diagrama de tiempos de este temporL zador se ilustra en la figura 5.63.
TIEI'·1PO
ACUHULAD TOF/VALVULA/T#10s/
¡
~
EVENTOS1
Figura 5.63.
,T,"ns 2
~
U 3
~
T.=tlls
L
:
567
Diagrama de tiempos del temporizador
TOF
Ejercicio 5.4 1. Dar explicación 2.
del diagrama de tiempos de la figura 5.63
Dibujar un diagrama de tiempos de los temporizadores: Temporizador por pulso (TPI) Temporizador con retardo a la conexión memorizada (Xn.TI)
Incluir en estos diagramas¡ los pulsos de la variable Var_a¡ el tiempo acumulado y los pulsos de respu_ esta del temporizador. Fin ejercicio
CONTADORES
5.4
EN EL GRAFCET'. Otra operaClon utilizada en los procesos industriales es el
contador. Cuando se requiere conocer el número de piezas fabricadas¡ número de productos defectuo_ sos o cálculos estadísticos¡ se requiere el uso de los contadores. los contadores pueden ser ascendentes¡ descendentes GRAFCET se muestra en la figura 5.64(A) y (6).
y combinados
y su representación
en el
Transiciones por flancos. En algunas situaciones es conveniente que una receptividad se valide cuando una variable cambia en su f1anco¡ bien sea con el flanco ascendente o con el flanco descendente. Esto es posible en el GRAFCET. En la figura 5.64(C) se indica con las f1echas¡ el flanco a que responde la transición. En la Figura 5.64(0) la transición es válida cuando es verdadera la operación lógica F AND flanco descendente de la variable G.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
215
5. Controlador Lógico Programable
n ~:
T
C=C+
n+1 (B)
(A)
Figura 5.64.
~
"-IP,l.G Tr
~F ,l.G (C)
(A) Contador ascendente (B) Contador descendente
(D)
(C) (D) Detección de flancos
Ejemplo 5.6 1. Un proceso semiautomático consiste en efectuar marcas sobre bloques de madera. El diagrama que ilustra este proceso se muestra en la figura 5.65(A). Contiene: el marcador que mediante algún mecanismo sube y baja, dos sensores de posición: de posición de reposo y de posición abajo, cuando marca; un pulsador de arranque.
SUBE
BAJA
I l
POSICIÓN DE REPOSO
¡,lARCADOR
START
-=-
--
--
~SICIÓN
ABAJO
mDmv Figura 5.65.
(A)
Proceso para el marcado de cajas del ejemplo 5.6.1.
eA) Esquema pictórico del proceso (B) Diagrama GRAFCET
Solución Mediante una representación proposicional, es decir, con descripciones lIterales, el proceso se desarro_ lla en la siguiente forma: 1. Acciona el pulsador de arranque 5tart 2. Si al accionar el pulsador, el sensor de posición de reposo está activo, se inicia el movimiento del marcador. Entonces, para que se inicie el proceso deben estar: 5tart y posición de reposo activados. 3. 4. 5. 6.
El mecanismo hace que el marcador baje. Cuando el marcador efectÍ!a la marca, acciona el sensor de posición abajo. Esto hace que el mecan" . suba al marcador. finalmente, el maree a' a al sensor de posición de reposo.
El diagrama GRAFCET se m
en la figura 5.65(8). Su explicación es la siguiente:
AUTOMATIZACIÓN
5. Controlador
INDUSTRIAL:
lt'oRÍA y
216
LABORATORIO
Lógico Programable
1. Comienza con la etapa inicial 1¡
acción es el estado de reposo.
2. En la primera transición se efectúa operación lógica: 5tart AND posición de reposo. Cuando la receptividad de esta transición es válida¡ el sistema evoluciona a la etapa 2¡ con la acción: baja¡ que ordena al mecanismo para que el marcado baje. Cuando se produce la evolución¡ la etapa 1 se deshabilita y se habilita la etapa 2 3. Estando habilitada la etapa 2¡ se produce el marcado de la caja¡ y la receptividad de la segunda transición se hace verdadera¡ al accionar el sensor posición abajo¡ así que el sistema evoluciona a la etapa 3, con la acción sube¡ que ordena al mecanismo a subir el marcador. 4. En la última transición se produce la receptividad, cuando el marcador acciona el sensor posición de reposo¡ por lo que se evoluciona a etapa 1¡ en donde para el proceso y queda en espera de un nuevo arranque.
2. 1
transporte de herramientas entre dos puntos distantes se realiza en un móvil como se ilustra en ra 5.66(A).
ID
eO A (A)
(B)
Figura 5.66.
Proceso de transporte
de herramientas
del ejemplo 5.6.2
(A) Diagrama pictórico del proceso (B) Diagrama GRAFCET
Inicialmente el móvil H se encuentra en la posición A en reposo. En esa posición está accionando un detector de posición a. El proceso se inicia accionando un pulsador de arranque manual m. Un motor lleva al móvil hacia la derecha D y cuando llega a la posición B, acciona otro detector de posición b¡ se detiene y al cabo de 10 segundos¡ se invierte el giro del motor Gy el móvil comienza a desplazarse hacia la izquierda. Llega a la posición inicial A acciona el detector a y se detiene finalmente¡ quedando en espera de un nuevo arranque.
Solución El proceso de transporte se puede describir literalmente así: 1. Móvil en reposo en la posición A 2. Acciona el pulsador de arranque manual m. el móvil inicia su movimiento hacia la derecha D gracias a un motor De. 3. Cuando llega al extremo derecho, acciona un detector de posición b¡ se detiene. 4. Un temporizador inicia el tiempo programado de 10 segundos 5. Se invierte el giro del motor y el móvil inicia el desplazamiento hacia la izquierda. 6. Cua do llega a la posición original A¡ acciona el detector de posición a¡ deteniendo el móvil.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
217
El diagrama GRAFCET se muestra en la figura 5.66(B). Se explica en la siguiente forma: 1. Comienza con la etapa inicial 1. 2. En la primera transición segunda etapa.
o se incluye acción, pero el sistema está en reposo.
se acciona
m, se da su receptividad y el proceso evoluciona a la
3. La segunda etapa tiene como acción energizar el motor para desplazamiento del móvil hacia la derecha. 4. La segunda transición es el detector de posición b, cuando el móvil llega a la derecha. La recep_ tividad de esta transición permite la evolución a la etapa 3. 5. La etapa tres no tiene acción y su objetivo es separar la siguiente transición. 6. La transición es el temporizador. Cuando transcurren los las previstos, la receptividad transición se hace verdadera y hay franqueo de la etapa 3 a la etapa 4.
de la
7. La etapa 4 es la orden para que el motor invierta el giro y el móvil se desplace hacia la izquier_
da. 8. La última transición es el detector de posición a, que cuando el móvil llega a la posición inicial, es accionado, la receptividad de la transición es verdadera y se produce el franqueo desde la etapa 4 a la etapa inicial 1. 9. Finalmente, en la etapa inicial 1, el móvil queda en reposo.
3. El Siguiente es un proceso de selección de objetos. La figura 5.67 ilustra un proceso de selección y la explicación de su funcionamiento es:
BANDA TRANSPORTADORA'
Figura
5.67.
BT
Proceso de selección para el ejemplo 5.6.3
Sobre una banda transportadora (BT1) se colocan cajas; son cajas de dos tamaños diferentes. Cuando la caja se ubica frente a un dli dro 1, se ha seleccionado el tamaño de la caja y el cilindro arrastra la caja a una de dos posiciones: si la caja es pequeña, la ubica frente a un cilindro 2 y si la caja es grande la ubica frente a un olí . 3. Una vez se ubica en la res . - a posición, de acuerdo a su tamaño, el cilindro correspondiente la arrastra hasta ubicarla so re ~ banda transportadora, así, el cilindro 2 arrastra la caja pequeña hasta colocarla sobre la boa 'a 2 y el cilindro 3 arrastra la caja grande y la ubica sobre la banda transportadora 3.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
218
5. Controlador Lógico Programable En el mismo momento en que el cilindro 2 o cilindro 3 están arrastrando da, el cilindro 1 comienza a entrar. Luego que la caja queda en la banda, el cilindro correspondiente su recorrido de entrada.
las cajas a la respectiva ban_
comienza a entrar; el cilindro 1 sigue
El cilindro 2 o cilindro 3, vuelven a su posición de reposo, el cilindro 1 sigue entrando, hasta que finaL mente, el cilindro 1 queda en su posición de reposo y el proceso termina. Como se deduce, la entrada del cilindro 1 es muy lenta comparada con la entrada de los otros dos cilindros.
Solución ::.
acuerdo al funcionamiento sig ¡ente.
descrito,
se puede hacer una descripción literal del proceso es la
1. 2. 3. 4. 5.
Se coloca manualmente una caja sobre una banda transportadora BT1. Se detecta si la caja es pequeña o es grande En cualquiera de los casos, el cilindro 1 la arrastra. Si la caja es pequeña deja la caja en la posición 2 o si es grande la deja en la posición 3. Para la caja pequeña, el cilindro 2 la arrastra hacia la banda BT2 y en el mismo instante, el cilindro 1 comienza a entrar
6.
Para la caja grande, el cilindro 3 arrastra la caja hacia la banda BT3 y en el mismo instante, el cilindro 1 comienza a entrar.
7. 8. 9. 10. 11. 12.
Se detecta la caja sobre una de las dos bandas, dependiendo del tamaño. El cilindro 2 o cilindro 3 comienzan a entrar y, sigue entrando el cilindro 1 Se detecta que el cilindro 2 o cilindro 3 han entrado. Sigue entrando el cilindro 1 únicamente. Se detecta que el cilindro 1 entró completamente. Termina el proceso.
Con base en esta descripción se elabora el diagrama GRAFCET. El resultado es el diagrama mostrado en la figura 5.68.
Figura 5.68.
Diagrama GRAFCET para el esquema de la figura 5.67 y ejemplo 5.6.3
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
219
Puede verificar los 12 pasos de la descripción literal y confrontarlos con el diagrama GRAFCET. Se observa que este diagrama GRAFCET tiene una operación OR, puesto que se escoge uno de los dos caminos: el de caja pequeña (izquierda) o el de caja grande (derecha). Pero es importante notar que
es uno de los dos caminos/ no ambos/ porque no se puede tener simultáneamente caja grande y pequeña. Esta es una secuencia con prioridad.
4.
El siguiente esquema pictórico ilustra el proceso de llenado y tapado en una embotelladora.
LLENADO
BOTELLA
Figura 5.69.
vn .... '. ,
A .•.....•.•.• ~..••.•..•••.. O •..•.•.•.•. ~TAP., ...•.
Proceso de llenado y tapado en una embotelladora
Las botellas desocupadas se colocan sobre una banda transportadora, manera que las botellas siempre ocupan un lugar determinado.
para el ejemplo 5.6.4
que se desplaza por pasos, de
Cuando la botella está bajo el dispensador de llenado, se detiene la banda y se efectúe el proceso de llenado. Simultáneamente, otra botella está bajo el dispensador de tapas. Entonces, los subprocesos de llenado y tapado se realizan simultáneamente. Para ambas operaciones, se detecta la presencia de botella.
Solución Caben varias posibilidades: -
Que Que Que Que
haya botella en el llenado y en el tapado. haya botella en el llenado pero no en el tapado. no haya botella en el llenado pero sí en el tapado. no haya botellas en el llenado ni tapado.
Después de efectuada cualquiera de las operaciones o ambas, o ninguna, la banda avanza otro paso, llevando nuevas botellas. El diagrama GRAFCET se muestra en la figura 5.70. De acuerdo a las especificaciones, se deben reali_ zar dos operaciones simultáneas: tapado y llenado, así que se utiliza una operación AND. Esto se observa en el GRAFCET.
converjan simultáneamente.
Es importante, en esta ope
lógica, que los caminos paralelos
Se observa en las etapas 5 mantener la alternancia etc yar colocando un temporizad
e no contienen acciones y la transición final es 1. Esto permite ¡dón, para la situación cuando no detecta botella. Se puede ensa_ esta transición, así se puede introducir un retardo ..
AUTO MATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y lABORATORIO
220
Lógico Programable
[J:: ;
f=='='
[lE
.'.IJp.I.JCE
ANO
~L~=:(:úNES INICIALES
12_ 1 UN AV'!'}fL~ L':PASO
t
fiN
Di:
!,~'.!{(E
NO HAY BOTELLA
Figura 5.70.
Diagrama GRAFCET para el proceso de embotellado
de la figura 5.69
5. Desarrollar la secuencia que indica el siguiente diagrama de secuencias. Desarrollarlo en esquema eléctrico y en GRAFCET para comparar la solución. KM3 I KM2'1'I
I
l'
'1'
II
KMl
l'
1 Figura 5.71.
Diagrama de eventos para el ejemplo 5.6.5
Solución Para desarrollar el circuito eléctrico que cumple la secuencia mostrada se proponen dos variantes: una utilizando solo pulsadores para accionar y apagar las distintas cargas y la otra variante utilizando algunos pulsadores y temporizadores. En la figura 5.72 se ilustra la secuencia propuesta con las variantes anotadas; la secuencia de la figura 5.72(A) utiliza seis pulsadores que se operan en el estríc ta orden anotado en la figura. La secuencia de la figura 5.72(8) opera con dos pulsadores y cuatro temporizadores con los que se asegura la activación y desactivación de las cargas. S2 KMl (B) Il'T1 manual (B) Proceso semiautomático l' Diagramas de eventos para el ejemplo 5.6.5 (A) Proceso
I
(A)
gura 5.72.
S5 S2 S3 S6 I KM3 T2 '1' I KM2 S1'1'S4 I '1 KMl T5 T3I II
con temporizadores
fá>..
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
5. Controlador
221
Lógico Programable
Para la secuencia manual se propone el esquema de circuito de la figura 5.73.
S1
[-
KA3j KA2\ s61
[.. -
Iso U ; [---f L,_~j,J
R
10
Figura 5.73.
11
12
Esquema eléctrico para el ejemplo 5.6.5
El circuito utiliza seis pulsadores y tres relés auxiliares (KAl, KA2 Y KA3) Y el arranque y apagado de las cargas principales KMl, KM2 Y KM3 se efectúa con los pulsadores en el orden anotado y no de otro modo; por ejemplo, suponer que se acciona el pulsador SI, lo que permite energizar la carga KMl en la línea 1 y mediante el contacto KMl de la línea 2 se auto sostiene esta carga. Ahora, si acciona cualquier pulsador diferente a S2, simplemente no se produce cambio. Únicamente accionando el pulsador S2 se energiza la carga KM2, igualmente para energizar la carga KM3 se logra con el pulsa_ dor S3; luego, para el apagado secuencial de KM3, KM2 Y KMl debe ser en el orden S4, SS y S6 respectivamente. Al finalizar la secuencia, el relé auxiliar KA3 quedará permanentemente energizado así que es necesa_ rio utilizar el pulsador SO para reiniciar la secuencia. En el circuito, SO se interpreta como parado de emergencia, sin embargo para este circuito, es imprescindible accionar SO luego que KM3 es desener_ gizado y para permitir el reinicio de la secuencia. Para la solución del proceso manual utilizando diagrama GRAFCET, se hace una descripción literal de acuerdo al diagrama de proceso de la figura 5.72(A): 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Inicia el proceso con todas las cargas apagadas. Acciona el pulsador Sl Se energiza la carga KM1 Se acciona el pulsador S2 Quedan energizadas las cargas KM1 y KM2 Acciona el pulsador S3 Quedan energizadas las cargas KM1, KM2 Y KM3 Acciona el pulsador S4 Quedan energizadas KM1, KM2 Y se apaga KM3 Se acciona pulsador SS Queda energizada KM1, se apaga KM2 Se acciona pulsador S6 Se apaga la carga KM3 El proceso queda como en el primer paso Si en cualquier parte del proceso se acciona un pulsador para emergencia, cargas que estén activas y quedar listo para reiniciar el proceso.
se deben apagar las.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
222
Trasladando esta descripción al diagrama GRAFCET, se obtiene el diagrama de la figura 5.74. En esta gráfica se incluye:
jF(Xl)
IfS7
(:i;:~I:UITCJ
TESTIGO
DE CPERAClÓN
PULSADORES PARA OPERACION
f·\
I $'
! SI f-\
PARi'.DO EMERGENCIA
I S3
F\
1
1
I
1"
I S5
I s,
~
,\
I
Figura
5.74.
,\
1
,\
1
Diagrama GRAFCET para el proceso manual del ejemplo 5.6.5
El diagrama GRAFCET en el que se tienen 6 etapas, 6 transiciones. La primera etapa es la inicial y en ella se asegura que las tres cargas estén apagadas. Esto se hace agregando a la etapa las acciones. KM1: = O, KM2: = O, KM3: = O. La forma en que se asigna el estado inicial de apagado de las tres cargas, asegura su deshabilitación (reset) permanente, es decir que al evolucionar de la etapa inicial a la etapa 2, las cargas no cambian su estado (siempre que las acciones de la etapa 2 no digan lo contrario). Este es el efecto mencionado anteriormente de «acción mantenida memorizada». la etapa 2, sólo la carga KMl cambia de estado, quedando habilitada, mientras esta etapa esté a . Cuando evolucione el proceso a la siguiente etapa, la carga KMl volverá a quedar apagada. Este es el efecto: «acción mantenida no memorizada». Las otras etapas y transiciones siguen el orden expuesto en la descripción literal, exactamente en la forma descrita. Para el parado de emergencia, se declara una acción independiente con la etiqueta: F/(Xl) IF S7 Significa que si acciona el pulsador S7, inicie la operación en la etapa Xl. Como se observa en el diagrama GRAFCET, cuando una etapa se habilita, las acciones asociadas quedan activas y, cuando hay franqueamiento porque la receptividad de una transición es cierta, la etapa que se deshabilita, también deshabilita todas las acciones asociadas a ella. Por ejemplo, suponga que la etapa 4 (X4) se habilita, entonces las cargas KM1, KM2 Y KM3 se energizan. Al accionar S4, su receptividad se hace verdadera y el sistema evoluciona a la etapa S, así que la etapa X4 se deshabilita y la carga KM3"se apaga.
AUTOMATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
223
Controlador Lógico Programable
También se tiene en la figura 5.74, un circuito testigo del funcionamiento, representa con un contacto y se adiciona un piloto.
en donde cada carga se
Se tiene el banco de pulsadores 51, ..., 56 para la operación del proceso y finalmente dentro de otro recuadro, para indicar que se trata del pulsador de emergencia.
un pulsador 57
El circuito tal como aparece en la figura 5.74 se simuló en el programa AUTOMA7l0N donde se observa su funcionamiento en forma animada.
STUDY,
en
Se propone, como ejercicio, realizar el proceso semiautomático de la Figura 5.72(B) utilizando los temporizadores y que el proceso se repita 10 veces. Para esta propuesta, asegurar que cuando transcurra el tiempo T5 y se apague KM1, dejar un tiempo adicional T6, de manera que todas las cargas estén apagadas y luego, reinicie el proceso automáticamente, sin accionar el pulsador de arranque 51. Este tiempo es necesario ya que si termina T5 y reinicia rápidamente, no se apreciará que KM1 se des energice. Para este ejercicio, 51 sólo debe actuar una vez; si acciona 51 luego de iniciar el proceso, no debe responder.
Fin ejemplo 5.6
Ejercicio 5.5 1. Considerar el ejemplo 5.6.4, para el proceso de llenado de botellas. Se presentan las siguientes srruaciones: • Estando en el subproceso de llenado de la botella, se acaba el líquido en el dispensador general. Incluir este evento en el diagrama GRAFCET. • En el momento del tapado, una botella se rompe. ¿Cómo sensa y cómo se incluye en el GRAFCET esta situación? • Ahora, se efectúa el llenado en tres envases de diferentes tamaños; los envases se colocan en la banda transportadora en forma aleatoria. Incluir los sensores que utilizaría e implementar en el diagrama GRAFCET esta situación. Suponer que los envases tienen diferentes alturas con igual área. • ¿Cómo se puede implementar en el diagrama un control de calidad del producto final? • ¿Qué situaciones pueden generar un paro de emergencia del proceso? Implemente el paro de emer_ gencia en el GRAFCET y considere todas las eventualidades anotadas en este problema.
2.1.
Dos trenes T1 y T2 se desplazan por las vías VIAl y VIA2 respectivamente. un tramo en común llamado ve.
Estas dos vías tienen
Para esto se consideran dos circuitos ferroviarios utilizada por ambos trenes que circulan en un mismo sentido en cada uno de los circuitos, donde hay un tramo del circuito que sirve como ramal compartido por los trenes como muestra la Figura 5.75. Los trenes compiten por el uso de la vía común (Ve) que puede ser utilizado por un solo tren a la vez. Esto significa que mientras uno de los trenes se desplaza por el tramo de vía común, el otro debe esperar hasta que se libere dicho tramo. El uso del tramo común se asigna al tren que primero llega. En caso de producirse simultánea del tramo de VC por ambos trenes, tiene prioridad el Tren 1.
la demanda
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEO
224
• Y LABORATORIO
5. Controlador Lógico Programable
CV1 ntVl \/lA
co
L.J
as
AT1
FIG 5.75. Víasferroviarias c
tramo común para el ejercicio 5.5.3.1
El sistema debe controlar el tráfico de acceso al cruce. Para ello determina las acciones necesarias que autorizan y prohíben, respectivamente, la entrada al cruce con las siguientes consideraciones: a) No hay tren en espera ni tren recorriendo el tramo común. b) Hay un tren que recorre el tramo común. El tren que espera en la vía 1 tiene prioridad sobre el que espera en la vía 2. El gráfico de la figura 5.75 representa esquemáticamente
la situación descrita.
Las variables indicadas en esa figura son: BE1: Barrera de entrada a lona de espera del Tren 1 en Vía 1 BE2: Barrera de entrada a zona de espera del Tren 2 en Vía 2 AT1: Habilitación para que el Tren 1 entre al tramo de Vía Común AT2: Habilitación para que el Tren 2 entre al tramo de Vía Común SS: Barrera de salida de los trenes del tramo de Vía Común CV1: Cambio de vía para habilitar la Vía 1 CV2: Cambio de vía para habilitar la Vía 2 Las señales SEi indican los sensores de aproximación de ambos trenes al tramo_ único. Las señales ATi indican la activación de los trenes que están en espera para acceder al tramo único SS es el sensor de salida del tramo único, este último sensor es el que activa las señales de cambio de vía CVi. Diseñar el diagrama GRAFCET para la situación planteada.
2.2.
Considere que los dos trenes pueden ir en el mismo sentido (como lo expuesto en 2.1) o que ueden venir en sentidos contrarios.
Para esta situación adicionar los sensores y otras variables necesarias y hacer todas las considera_ ciones posibles para que el sistema funcione sin que se provoquen accidentes y diseñar el diagrama GRAFCET.
3. El siguiente es un proceso para la fabricación de tres productos. El primer producto (P1) se fabrica de acuerdo a un proceso de mezcla de dos materias primas y calentamiento, que se indica en la figura 5.76 como proceso principal. Los otros dos productos (Pr2 y Pr3), tienen en común el proceso principal, pero luego se añaden otras sustancias y procedimientos, para su obtención. En la figura 5.76 la fabricación de estos dos productos y subproceso 2. está indicada como subproceso
1
r
AUTOMATIZACIÓN
TEORÍA Y LABORATORIO
INDUSTRIAL:
225
5. Controlador Lógico Programable
PROCESO
PRINCIPAL
I
I
I I
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I I I I
I
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I
P1
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I
'!
I
S1 S2
SUB PROCESO
1 (INICIA
CON S1)
SUB PROCESO
2 (INICIA
CON S2)
KA3
Figura 5.76.
Diagramas de secuencias para la obtención de tres productos, de acuerdo al enunciado del ejerciCio 5.5.3
Para obtener uno de los dos productos alternos, es decir, para seleccionar uno de los dos subprocesos, se procede así: al transcurrir el tiempo T6 del proceso principal, un indicador mostrado como KM4 se activa, indicando al operario que puede accionar uno de dos pulsadores Sl o S2, dependiendo del producto requerido. Si acciona Sl, pasará a elaborar el subproceso 1; si acciona S2, se elaborará el tercer producto en el subproceso 2. Si no se acciona pulsador y transcurre el tiempo Tl, significa que se ha completado un producto Prl. cada vez que se elabora uno de los dos productos Pr2 o Pr3, se da otra indicación y reinicia la elaboración de nuevo producto en el proceso principal en forma automática, sin accionar Pl. Cada producto se fabrica en lotes (batch) de 10 productos, entonces mediante contadores se lleva la cuenta de la fabricación de cada producto. Si por ejemplo, se completó los diez productos Pr1, y cuan_ do llegue a KM4, se quedará en este estado, hasta que se accione Sl o S2. Si se completaron los diez productos Pr2, cuando se llegue a KM4 y se accione Sl, no responderá. Igual para el producto Pr3. Cuando se completen los tres lotes, se dará otra señal audiovisual que indica ese estado. Entonces, se limpian los contadores y se reinicia nueva fabricación. El proceso debe tener un parado de emergencia cuando falta una de las materias primas. Si esto sucedel el producto que se estaba fabricando en el momento de la interrupción se pierde y siempre inida en el proceso principal. Obviamente este producto perdido no debe contabilizarse. Si más de tres veces se interrumpe el proceso antes de completar los tres lotes, se debe dar otra ala al pues la falla puede ser crítica.
1
a Se cc
"i)
Ira 5.77 es una propuesta del circuito eléctrico que cumple con las condiciones impuestas en el 'ado del proceso principal y subprocesos, sin incluir contadores ni alarmas. erdo al enunciado, dibujar el diagrama GRAFCET correspondiente. opone la siguiente mejora al proceso: Que el número de productos Pr1, Pr2 y Pr3 sea programa--, eviamente, para suprimir los pulsa res Sl y S2. Por ejemplo, si se requieren 10 productos de uno por lote, que se programen a es de iniciar y luego, se fabriquen automáticamente, puede
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
226
Lógico Programable
ser primero los del producto Prl, luego los del producto Pr2 y por último los del producto Pr3. Al finalizar se da la señal audiovisual de terminación. La alarma de falta de materia prima debe incluirse.
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PO
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~lrKM1J KT: KM~
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PROCESO PRINCIPAL
Figura 5.77.
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KTe KT11 KT12 KT16 ~\
PO
KA3
KT15
Esquemas eléctricos del proceso indicado en la figura 5.76 del ejercicio 5.5.3
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KA2 KA3
ml
PO KT16
F'
,1
KT'O
r
l~J KT13
16
17
18
'9
20
2'
22
SUBPROCESO
Figura 5.77.
23
1
24
25
SUBPROCESO
2
(Cont.) Esquemas eléctricos del proceso indicado en la figura 5.76 del ejercicio 5.5.3
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL; TEORÍA Y LABORATORIO
227
5. Controlador Lógico Programable
4. El diagrama GRAFCET que se muestra se obtuvo con el PLC ABB. En la zona de variables se describen todas las variables del proceso indicando a que entrada o salida son asignadas. Analizar el diagrama y deducir el funcionamiento del proceso que representa. Dibuje una carta de estado de todas las cargas involucradas. ;.•.~
roiPR;;;;OO"'"R"""""PLC"Y¡¡¡¡.O'-
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AUTOMATIZACIÓN
y LABORATORIO
INDUSTRIAL: TEO
228
5. Controlador Lógico Programable """='
5 .1. El siguiente problema es efectua el
•.••
trol de un ascensor.
El ascensor comunica tres alturas: • PB: Planta Baja. • Pl: Planta Primera. • P2: Planta Segunda. Dispone de puerta de apertura detectora de obstáculo.
y cierre automáticos
con dispositivo
Para el manejo del ascensor por parte de los usuarios, dispositivos:
de seguridad mediante
la instalación
célula
dispone de los siguientes
Botonera interior con los siguientes elementos:
.~.
• A: (Alarma) Pulsador con lámpara. • < >: (Abrir) Pulsadorsin lámpara. • B: (Ir a piso B) Pulsador con lámpara. • 1: (Ir a piso 1) Pulsador con lámpara. • 2: (Ir a piso 2) Pulsadorcon lámpara. Botoneras exteriores en cada planta (tres) con los siguientes elementos en cada una de ellas: • LL: (LLB, LLl, LL2) Pulsador con lámpara. Para el control del ascensor, la instalación dispone de los siguientes equipos y dispositivos: • Para detectar la posición del ascensor se han ubicado tres finales de carrera (uno en cada planta) denominados: FCB, FCl, FC2. • La puerta automática va montada sobre la propia caja del ascensor y dispone de dos finales de carrera para detectar si se encuentra totalmente abierta (FCPA)o totalmente cerrada (FCPC). • El movimiento del ascensor se realiza gracias a un grupo motriz con dos sentidos de giro. • El movimiento de la puerta se realiza mediante un motor con dos sentidos de giro. El ascensor se encuentra en reposo cuando está detenido en una planta con las puertas cerradas. Todas las situaciones de movimiento e reposo (Estado de seguridad).
que se programen
han de terminar con el ascensor en posición
üva básica: • ara acceder al ascensor el usuario presiona el pulsador de llamada desde el exterior en la planta en la que se encuePtre. • Si el ascensor está en la planta desde la que se le llama, se abrirá la puerta para permitir que entren las personas que lo quieran usar. • Si el ascensor está en otra planta, sin abrir las puertas, procederá a desplazarse a la planta desde la que se le llama, para una vez en ella, proceder a abrir las puertas y de este modo permitir la entrada de las personas que lo quieran utilizar. • Los usuarios una vez dentro de la cabina, podrán seleccionar la planta a la que desean ir siendo posible una única selección. • Cuando se cierren las puertas, el ascensor procederá a desplazarse hasta la planta seleccionada, abrirá las puertas para dejar salir a las personas que lo deseen, volverá a cerrar sus puertas y quedará listo para un nuevo uso.
r-
AlJTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
229
5. Controlador Lógico Progra c' • Si quedara alguna persona den O¡ podrá seleccionar una nueva planta una vez que el ascensor ha comenzado a abrir sus puertas¡ para na vez cerradas de nuevo desplazarse hasta el nuevo destino. Alarma: • La actuación sobre el pulsador interior (A) indicará que las personas que van dentro de la cabina han detectado una situación anómala o de peligro y por tanto el ascensor se detendrá de inmediato. • Mientras el ascensor se encuentra en alarma, ninguna orden exterior podrá ser obedecida. • Únicamente se sale de la situación de Alarma de cabina, actuando de nuevo sobre el pulsador "A" o sobre cualquier pulsador de planta o de apertura de puerta. La respuesta del ascensor será llevar a la cabina a la planta inmediatamente inferior al punto donde se encuentra y abrir las puertas. Movimiento automático: • Cuando hayan pasado más de 5 minutos sin que exista movimiento cabina a la planta baja de modo totalmente automático.
alguno¡ el ascensor moverá la
Pulsadores: • La lámpara de los pulsadores que la poseen será activada¡ y permanecerá activada cuando desde el control se proceda a obedecer la orden dada con la actuación sobre el pulsador y mientras dura la ejecución de la orden. Por tanto¡ si mientras se está ejecutando una orden¡ alguien actúa sobre otro pulsador que no sea el de alarma¡ el sistema de control no obedecerá y por tanto la lámpara del pulsador en cuestión no se iluminará. Puerta: • Cuando la puerta se abre¡ permanece en este estado 5seg. Luego de este tiempo la puerta se cierra. • El control dará prioridad a la selección desde el interior sobre una selección exterior durante 3 seg una vez que se haya c~rrado la puerta. • El ascensor dispone en la puerta de un dispositivo de seguridad para la detección de obstáculos que obliga a abrir de nuevo la puerta si se detecta algún obstáculo cuando se está cerrando. que si se pulsa¡ provoca la • Así mismo¡ se dispone de un pulsador en el interior de la cabina «» interrupción inmediata del cierre de la puerta para seguidamente abrirla. Si se encuentra abierta no permite que se cierre mientras se mantenga pulsado. • Por seguridad, si el ascensor no se encuentra detenido en una planta, la puerta no se podrá abrir, a no ser de un modo mecánico, lo cual no es objeto del programa.
5.2.
Considerar que el ascensor tiene cuatro pisos y está construido para transportar vehículos.
• El elevador debe contar con 4 pisos para poder subir automóviles a un estacionamiento
de 4 niveles.
• Afuera del elevador se debe contar con una botonera¡ en el primer piso sólo se puede requerir el elevador para subir¡ en el segundo y tercer nivel se podrá subir o bajar¡ y en el cuarto nivel sólo se podrá bajar. • El sistema del elevador deberá contar con los sensores y actuadores fu a iento.
necesarios para su óptimo
- ente dentro de la caja del elevador el usuario podrá elegir el piso deseado para estacionar e¡ para eso se deben agregar los botones necesarios para poder realizar esa función. •
•
en el primer nivel debe haber un d" play que indique en qué piso se encuentra el elevador.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA
230
'( lABORATORIO
S. Controlador Lógico Programable • Se debe contar con un tablero interfase con un PLC.
e ~ tradas y salidas del elevador de 24 VCD para poder hacer
• El elevador debe tener cupo para 3 carros por viaje (en la caja transportadora). • El programa de control del elevador debe realizarse en diagrama GRAFCET. • El elevador debe contar con sistema de arranque y paro. • Al inicio del programa el elevador debe permanecer en el nivel 1 y ahí permanecerá siempre que no se le requiere en ningún nivel. Es el estado de reposo de este al cual regresará después de no ser requerido. • Si el elevador está en reposo y es requerido en algún piso para subir o bajar, primero irá a ese piso (independientemente de que alguien lo requiera en el transcurso en que se dirige hacia donde lo solicitaron) y cumplirá con el requerimiento del usuario. Si el usuario decide subir y alguien más en el camino también quiere subir, entonces el elevador se detiene en ese nivel, y si el usuario decide bajar y alguien más en el camino decida bajar también el elevador se detiene. Sin embargo en el caso donde un nuevo requerimiento del elevador vaya en contra del sentido del deseado por el usuario actual, el elevador no se detendrá, primero cumplirá con lo requerido por el primer usuario y luego atenderá la necesidad del otro usuario. Por ejemplo, el elevador está en reposo y es requerido en el piso 4 para bajar al piso 2, justo cuando va subiendo alguien en el piso 3 también lo requiere para bajar, pero al piso 1. ¿Qué hace el elevador? Entonces el ascensor primero irá al piso 4, después se parará en el piso 3 para subir al nuevo solicL tante, posteriormente se parará en el piso 2 para bajar el primer usuario y por último se parará en el piso 1 para dejar al segundo usuario. Nota: El elevador sólo tiene cupo para 3 automóviles. • El elevador debe guardar en memoria todas las solicitudes que tenga cuando se encuentra llevando una carga y no tenga cupo. • En el extraño caso de que 2 persona soliciten el servicio al mismo tiempo, siempre se le dará priorL dad al que se encuentre más arriba.
6.
El siguiente es un sistema de dos móviles que transportan
P::'IIl
máquinas-herramientas.
DI +----7- DD
~ ~liMl@J Pl\12
DI +----7- DD
Figura 5.78.
Móviles desplazándose sobre pistas para el ejercido 5.5.5
231
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 5. Controlador Lógico Progra
e
dos móviles: M1 y M2 que está en su punto de reposo en la izquierda como se indica en la ra. En ese punto están accionando fines de carrera (FC1, FC2). Cuando se da la orden de movimiento mediante los pulsadores PM1 y PM2, los móviles inician su desplazamiento hacia la derecha sobre pistas planas rectas. Cuando llegan al extremo derecho y accionan los sensores FC2 y FC4, se detienen, permanecen un determinado tiempo, y regresan a su posición inicial. La longitud de la pista es de 100m. cada móvil se desplaza gracias a un motor De, así que puede hacerse la inversión de giro. El desplaza miento se indica como DD desplazamiento hacia la derecha y DI desplazamiento hacia la izquierda. En el funcionamiento de los móviles (pueden ser un AGV) se presentan los siguientes eventos: • Sólo se desplaza el móvil M1. Cuando llega al extremo derecho, permanece allí 15s. El móvil tarda 3m in en su desplazamiento en un sentido. • Sólo se desplaza el móvil M2. Tarda en desplazarse en un sentido 2min y al llegar a la derecha permanece 20s, antes de invertir giro y regresar. Se accionan simultáneamente los pulsadores PM1 y PM2, primero el móvil M2 a la derecha; cuando llega el móvil M1, permanece 50s y los dos móviles deben regresar al tiempo. • Indiferentemente que salga primero M1 o M2, al llegar a la derecha, ambos deben permanecer mínimo 50s y se deben devolver al tiempo. • Si alguno de los móviles encuentra un obstáculo en el camino, se debe detener puesto que los móviles disponen de sensores de proximidad adelante y atrás. Cuando se detiene el móvil por ese motivo, se debe dar una alarma que indica el peligro. Luego que se libera el paso, el móvil continúa con su desplazamiento en el sentido en que iba. • Si el obstáculo en el camino del móvil tarda más de 60s, se debe devolver a la estación de donde venía. Allí espera hasta que se de una orden directa sobre el móvil para que reinicie su desplaza_ miento. Si el obstáculo se encuentra cuando el móvil parte desde la izquierda, la orden de reanudación se da con el pulsador de marcha PM. Si el obstáculo se encuentra cuando el móvil regresa desde la estación de la derecha, la orden se da con un pulsador auxiliar que se encuentra en esa estación. En cada estación de la derecha se tiene un pulsador auxiliar que se usa para esta situación especial. • Los pulsadores de marcha PM1 y PM2 solo actúan cuando los móviles están en los puntos de reposo a la izquierda (Home). Fin ejercicio
5.9.
5.5
Texto Estructurado
El texto estructurado ST (Structured Text) consiste en una serie de instruc_ ciones expresadas en lenguaje de alto nivel, por ejemplo, IF. ..THEN ...ELSE, WHILE ...DO, etc. Ejemplo: IF value < 7 THEN
HILE value < 8 DO ¡al e:=value+1; S!
E D
if:
I
VVHILE;
no
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEa 5. Controlador Lógico Programable
RATORIO
L.ABO
232
Como se observa en el ejempl I el exto estructurado es un lenguaje de alto nivel tipo Pasea!, que incorpora conceptos I amentales para la estructuración de datos e ins_ trucciones. La estructuración de los datos es común a todos los lenguajes estudia_ dos mientras que la estructuració e instrucciones es una característica del lenguaje estructu rado. La TABLA 1 contiene las instrucciones del lenguaje ST. Tabla 1 ~Tipo de Instrucción Asignación
I
A=CMD
TMR.Q
CMD_ TMR(!N PT := 300); A=B;Ejemplo CV := CV:=+%IX5, 1; C:=SIN(X); I RETURN; I
Llamado a bloque de función
A continuación se detallan algunas instrucciones de la TABLA 1.
ASIGNACIONES
Una asignación es la instrucción más simple; reemplaza el valor actual de la variable de la izquierda de := con el valor de la expresión de la derecha. Cada asignación termina con punto y coma (;) como se observa en los ejemplos de la Tabla 1:
A:= B; Significa que el valor actual de la variable A se reemplaza por el valor que tenga la variable B. CV:=
CV + 1;
Significa que el valor actual de CV se incrementa en uno debido a la expresión CV+ lo C
:= SlN(X);
8 valor que tenga actualmente C es reemplazado por el valor numérico del seno de X.
LlAMADOS A BLOQUES DE FUNCIONES Y USO DE FB: En
lEC 61131-3 se establece un ecanismo definido para el llamado y también para la salida de una función o bloque de función. El llamado de la función consiste en la especificación del nombre de la función seguida por los parámetros de entrada, entre paréntesis. El llamado del bloque de función es semejante al llamado de función: está el nombre del bloque seguido de la lista de asignación de valores de parámetros de entrada, entre paréntesis. El siguiente es el ejemplo dado en la TABLA1: Nombre del Bloque de Función ¡ "
•••
,...
•
Asignación de valores de los Parámetros d~,:,t~~~.~_~ P'?~ntesls _r, __ ~ . .~ ~ J
,
••
.CMD_ TMR(IN := 0f01X5, PT := 300); -A=CIV1D TMR.O.. El resultado de la variable Q se asigna a la variable A
AUTO MATIZACIÓN
S. Controlador
INDUSTRIAL:
233
TEORÍA Y LABORATORIO
Lógico Programable
Se llama al bloque temporizador CDM_TMR. Los parámetros de entrada del temporizador son: IN, que se asigna la entrada física %IX5, PT, que es el valor de preselección del temporizador. En la segunda línea del ejemplo, a la variable A se asigna es estado de la salida Q del temporizador CDM_TMR. Otro ejemplo de manejo de bloque es el siguiente: RS_ALARMA(S := FAu.A_TALADRO, ALARMA := RS_ALARNA.Q
R:= ACCIONA_BOTON);
El bloque RS_ALARMA, es un bloque f1ip-f1op RS (reset-set;; se asignan los parámetros: cuando se detecta FALLA_TALADRO, la entrada set S se pone en 1. Debido a esta falla se ACCIONA_BOTaN de emergencia y la entrada R se pone en 1. El estado de la salida Q del bloque RS_ALARMA se asigna a la variable ALARMA.
RETURN: es una instrucción que se utiliza para permitir una salida anticipada bloque de función. El siguiente es un ejemplo en el que se utiliza esta instrucción:
de una función o
IF X< o THEN
Valor:= -1; Error:= 1; RETURN; ENDJF Y:= LOG(X):
Si X> O, el bloque IF termina inmediatamente,
luego se asigna a la variable Y el LOG(X).
Continuando con la TABLA2, están las instrucciones de selección, conocidas también como instruccio_ nes de derivación del programa. Son dos básicamente: IF-THEN y CASE. Tabla 2
I i
WHllE 1 CASE EXIT instruCliGREPEAT Emptv IFOR ! IIIF
I
UNTll J= 101 OR ARR[J] = 70 CASE END INT1 IF; TO OF100 BY 2 DO IF;BOOL2:= EXIT; IEx.mDle J:=-1; FOR 1:=1 IFJ:=I: ARR[I] BOOL BOOL2 = 70 1 := :=THEN TRUE; ,;J:=1; BOOl1 FAlSE; 0:=8'8; Inslruction type C:=A; C:=8; I I IJ:=101; IIF 0<0.0 ENO END REPEAT REPEAT: ElSE EXIT; C:=O; 12: ElSIF 0=0.0 THEN END FOR; !ElSE END J:=J+2; WHllE; IEND CASE; J:=J+2; t1: .HllE J<= 100 ANO ARR[J] <:> 70 DO I
1
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
234
5. Controlador Lógico Programable
INSTRUCCIÓN IF. La estructura general de esta instrucción tiene la forma: Syn ale IF THEN {ELSIF THEN
ELSIF
n> THEN
ELSE END_IF:
}
The par! in braces O is optional.
El desarrollo del algoritmo para la forma general es:
Si la expresión Boo/eana1 es cierta, entonces se realizan las instrucciones 1; Se repite las veces que sea cierta la expresión Boo/eana1;
Si la expresión Boo/eana1 es falsa, entonces se evalúa la expresión Boo/eana 2; Si la expresión Boo/eana 2 es cierta entonces se realizan las instrucciones 2; Se repiten las veces que sea cierta la expresión Boo/eana 2;
Si la expresión Boo/eana es falsa, entonces (ELSE) se realizan las instrucciones y finaliza (END IF) el algoritmo. La instrucción IF más simple utiliza sólo un IF-THEN. Por ejemplo: IF sensor_detecta END_IF;
THEN maquina_para;
Un arreglo algo más amplio se muestra en el siguiente ejemplo: IF pieza_ok THEN numero = numero ELSE contador: = contador - 1; END_IF;
+ 1:
Un condicional con varias ramificaciones se plantea en la Tabla 2: 0:=8*8; IF 0<0.0 THEN C:=A; ELSIF 0=0.0 THEN
C:=8; ELSE C:=O; ENO_IF;
Si se cumple la primera condición, es decir: D < O, entonces se asigna a la variable e el valor de A; si no se cumple la primera condición, porque O es mayor o igual a O, será evaluada la condición que sigue a ElSIF: si se cumple, es decir, D igual a O, se asigna a la variable e el valor de la variable B, de lo contrario (siendo O mayor de O), se asigna a la variable e el valor que tenga la variable O y finaliza el lazo IF.
INSTRUCCIÓN C4SE Si debe hacerse una selección entre varios grupos de instrucciones posibles, puede utilizarse la instrucción CASE. La forma estándar de una selección múltiple con CASE es:
' .. ,..•........•
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
235
5. Controlador Lógico Programable
Syntax: CASE OF : ; : : : ELSE END_ C.ü.SE:
La instrucción CASE se procesa de acuerdo al siguiente modelo:
1. Si la variable 2. 3.
4.
tiene el valor entonces la es ejecutada. Si la variable no tiene el valor , entonces se ejecuta la instrucción . Si la misma instrucción tiene que ser ejecutada para varios valores de variables, entonces se pueden escribir esos valores uno después de otro separados por comas y entonces la instrucción común es ejecutada. Si la misma instrucción tiene que ser ejecutada para un rango de valores de variables, entonces se puede escribir el valor inicial y el valor final separados por dos puntos uno después de otro; así se realiza la ii,struc_ ción común a ese rango de valores.
El ejemplo propuesto en la Tabla 2 se muestra a continuación: CASE INT1 OF 1: BOOL 1 := TRUE; 2: BOOL2 := TRUE: ELSE BOOL 1 := FALSE; BOOL2:= FALSE: EN O_CASE:
Si el entero INTl tiene el valor 1, entonces a BOOLl se asigna el valor TRUE Si el entero INTl tiene el valor 2/ entonces a BOOL2 se asigna el valor TRUE Si no tiene ninguno de los dos valores/ entonces a las variables BOOLl y BOOLE2 se asigna el valor FALSE. Otro ejemplo parecido al anterior: CASE INT1 OF 1, 5: BOOl 1= TRUE; BOOl3 ;= FAlSE; 2; BOOl2 ;= FAlSE; BOOl3 := TRUE; 10..20: BOOl1 := TRUE; BOOl3:= TRUE; ElSE BOOl1 := NOT BOOl1; BOOL2= BOOl1 OR BOOl2; ENO_CASE;
Si el entero INTl tiene los valores 1 y 5 entonces a BOOLl se asigna el valor TRUE Si el entero INTl tiene el valor 1, entonces a BOOLl se asigna el valor TRUE y a BOOLE3 se asigna FALSE. Si el entero INTl tiene el valor 2/ entonces a BOOL2 se asigna el valor FALSE y a BOOLE3 valor TRUE. Si el entero INT1 toma los valores desde 10 a 20 (10/ 11, 12, .." 20)/ entonces a las variables BOOLE1 y BOOLE3 se les asigna el valor TRUE.
AUTOMATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
236
Controlador Lógico Programable
Si el entero INT1 no toma ninguno de los valores anotados¡ entonces a la variable BOOLE1 se asigna el complemento del estado actual de la variable BOOLE1 y a la variable BOOLE2 se asigna el resultado de la operación lógica de los estados actuales: BOOLE1 OR BOOLE2 Finaliza la instrucción CASE.
INSTRUCCIÓN DEL LAZO FOR: La sintaxis general para el lazo FOR es la siguiente:
FOR := TO
DO
BY
ENOJOR;
Se asigna a la variable INT_VAR un valor entero; esta es la variable de control. Las son ejecutadas desde el valor inicial hasta un valor final ; cuando las instrucciones son ejecutadas¡ el valor de la variable se incrementa en el valor y cuando la variable INT_VAR es mayor que END_VALUE¡ finaliza el bucle FOR. Esta prueba de comparación se efectúa al comienzo de cada iteración. Si no se especifican desarrollado.
los incrementos¡
la variable de control se incrementa
en uno con cada ciclo
La variable de control¡ el valor inicial y el valor final expresiones del mismo tipo de dato entero: INT¡ SINT¡ DINT. Los bucles FOR se pueden conti nuación.
anidar.
Un ejemplo
sencillo
deben ser
del uso del bucle FOR se muestra
a
FOR Counter:=1 TO 5 BY 1 DO Var1 :=Var1 *2; END_FOR; Erg:=Var1 ;
t'
La variable COUNTER es la de control e inicia en uno y con cada iteración se va incrementando en 1. La instrucción a desarrollar es asignar al valor actual de la variable VAR1¡ el valor de la variable multiplicado por 2. Por defecto la VAR1 inicia con valor: VAR1 = 1¡ así que en la quinta iteración¡ VAR1 = 32.
INSTRUCCIÓN DE LAZO WHILE El lazo WHILE puede ser utilizado como el lazo FOR con la diferencia que condición para la terminación del lazo puede ser alguna expresión Booleana. I WHILE DO END_WHILE: Significa que se establece una condición que cuando se cumple¡ el lazo será ejecutado. Las son repetidamente ejecutadas tantas veces como la sea verdadera. Cuando la expresión Booleana es falsa¡ la instrucción nunca será ejecutada¡ finalizando el lazo WHILE. Tener en claro que en este lazo¡ antes de ejecutar el lazo¡ se verifica la condición. Ejemplo de aplicación:
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
237
5. Controlador Lógico Programable WHILE
counter<>O
DO
Var1 := Var1*2; Counter := Counter-1;
END WHILE
I
Mientras el valor del contador COUNTER sea diferente de cero, asignar a al valor de la variable VARl su valor multiplicado por 2 y decrementar en 1 en contador. Cuando el contador sea cero, finaliza el lazo.
¡
INSTRUCCIÓN
DE LAZO REPEA T: A diferencia del lazo WHILE, en esta instrucción la condición es chequeada luego de ejecutar el lazo; esto significa que el lazo correrá al menos una vez, antes de verificar la condición de ruptura. La sintaxis de esta instrucción es la siguiente: REPEAT
"-
UNTIL
END_REPEAT;
Las instrucciones se repiten mientras la tenga cierto valor lógico, por ejemplo TRUE. Cuando el valor lógico cambia a FALSE, finaliza el lazo. El siguiente es un ejemplo en que se utiliza el lazo REPEAT: REPEAT Var1 := Var1*2; Counter := Counter-1: UNTIL Counter=O ENO_REPEAT:
El valor actual de la VARl cambia a su valor multiplicado por dos y el contador COUNTER decrementa en uno, hasta que el contador COUNTER = O terminando el lazo.
INSTRUCCIÓN EXIT: Se utiliza para terminar
iteraciones antes de cumplir algún número preesta_ blecido de ellas, en un lazo IF, FOR, WHILE o REPEAT. S:=
o; FOR I := 1 TO 2 DO FOR J := 1 TO 3 DO IF elTor THEN EXIT; ENO_IF := S +
S f'
!
J:
ENOJOR; (* Si se ejecuta la instrucción S:= S + 1;
EXIT se realiza un salto a este punto*')
ENOJOR;
Si la instrucción EXIT se halla dentro de un bucle anidado, la salida será desde el bucle más profundamente anidado en el que se halla la instrucción EXIT. La siguiente instrucción a ejecutar es la instrucción inmediatamente después del fin de bucle (ENDJOR, END_WHILEEND_REPEAT).En el ejemplo dado, esta es la instrucción 5:= S + 1;. La Tabla 3 muestra los operadores en el lenguaje STo
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
238
5. Controlador Lógico Programable
Tabla 3 Put in parentheses
__ equal Subtract Not Compare
to Boolean XOR Boolean OR Equal to ANO Function Divide Exponentiation Multipty Building ofcall complelllents Negate
= -<,:>,<=:>= ANO <> + OR XOR Weakest bindin~ I(E ' IINOT EXPT BindinQ strenQth Stron~est bindin~ I Symbol I¡-Function name I~AOD
Modulo Add -(para meter lis!) loperation
-j
Ejercicio 5.6 '.7't. El siguiente diagrama GRAFCIT se obtiene a partir de algún tipo de proceso.
¡
~
I
------d
1
t~_Ii],,~"."."., 1 L Derecha I i II 1--;.---_._----, 51 -r I[
f, .~ ¡
¡ S2
tI:1 t,
I
2
11 11
I
¡¡
-I
3
1
25
Alca nZ,a
f
Poslclon!
L_ .....__
t L-r-x_o
! '
,
....
J
.
+
1
U ~i,
!
6
Cerrado
.....•
_
.. _._.
__
.M._·M·_
.
EN LAZO CERRADO
r·-:-~·Lr~~~;~~:.T-'~~-~-~.I-ll 1
.• ··· __
t¡
.
GRAFCET DE POSICIONAMIENTO
BP1 el consignes valides
ti :·_-~-·~Cil"CUito
i LeaS
End.SF (nul[X5j)
· .. ··.·_
fl-,--l
i
1,'
I ~~~2?~
i led2 1
Fin Circuito Cerrado (X25)
_ Modo I Le031 SP3--·...,..··=¡L Manual 1 BP2
i
t GRAFCET PRINCIPAL I ,
11'
239
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
Analizar el diagrama y deducir el funcionamiento del proceso que lo representa. Asocie a un proceso real. Escriba un enunciado y el programa en texto estrudurado. Dibuje el diagrama de estados de acuerdo al funcionamiento. Observar en este diagrama que se tienen dos etapas iniciales (XO y X20). Esto es posible, cuando se tienen procesos y subprocesos. En este ejercicio, el diagrama de la izquierda se puede considerar un proceso principal (de la etapa XO a la etapa X6) y el diagrama de la derecha (etapa X20 a etapa X25) es un subproceso. Cuando el proceso principal evoluciona a la etapa X5 y activa es estado Circuito Cerrado, el proceso pasa a la etapa X20 y la transición Start_BF(X5) (Comience Circuito Cerrado) es cierta, se desarrolla el subproceso. En la etapa X25 retorna al proceso principal de acuerdo a la transición: Fin Circuito Cerrado (X25) ubicado en el proceso principal después de la etapa X5.
2.
El siguiente es un diagrama GRAFCET obtenido en el PLC ABB. Deduzca el funcionamiento proceso, dibuje el diagrama de estado y escriba el programa en texto estructurado.
de ese
05a1
,
DSbl
slep5
N
eS1
N
CS2
N N
eS3
Dl~::;:'<
cs~ 1
11
N D·:·f:j(i~:'
DSb2 •3
T3
~ T::JICIÚ
L[>
D_w::SC
Ini!
En e-ste diagrama se observan operaciones combinadas de AND (en la transición S2) y operaciones OR (luego de la etapa CARGAR, DESC_A_B y otras). Recordar que en la operación AND, cuando la transición S2 es cierta, las etapas D_PROG y C_PROG quedan validadas simultáneamente y el proceso evoluciona en esos ramales. En la operación OR, sólo uno de los ramales evoluciona, así que realmente esta es una OR exclusiva. Por ejemplo, en la derivación OR de la etapa RET_D, sólo es cierta S4 o PANIC no ambas condiciones. Los números que están encerrados en círculo no pertenecen al programa, sólo indican que continúan de una columna a otra.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
240
Lógico Programable
Las variables que se utilizan en el GRAFCET se presentan en la siguiente tabla DECL-UL\CION
! Vi~R_ OUTP
LIT
aOOl;
Da ..U %O~-(fl ,0:
Db .A.T S:,(.>~[:'1:1: BOOL;
~ ::
~'ll~IO,,~:,:;;?:::.~G,l: ~~OL; •.... 1 ...•. T ::di."I'.' BOOl-,
•
82 AT ·:~-i:x:tiQ.~:: GOOl:
lb ,A,To.::.:)~;G1.f;:
BOOL;
le AT Idj,AT
:;;~,:~,,¡)}¡ ,6: ,*"O;{Cl
Sa1
A,T
Sa2
'X,j>~iJ}fi:800l;
,.f;T '}.¡:<;"-'<(:.7:
GOOL;
8b1 ,.f;T~~~1x:úU.8:800L;
GO':)L:
P.A.REBOOL;
Sb2 AT ";{.1>::.'U9:800L:
': 3: BOúL;
Id
Se ,¡:¡,T(~~.¡;~G(:.·¡ :):BOOL.,
CS1 AT ,*'~Q:xJ;l ,:3: BOCL; eS2
T2:BOOL; T3:BOOL; T4:800L; T6:800L; X1: BOOL; X2: BOOL;
BOOL;
84 ,.c.,T'~~.r-:G:::L800L;
Dd AT '>~(:>~_:1-1_~::BOOL;
GOOl;
l\/AR T1:BOOL;
o"
¡""N': 83 iNPUT AT '"r,Jr-SU,J:
De AT ~:)G;>~!:~1_2: 800L; la ft.T ~_::-,: __ :I;';i3i,á;
DE VARIABLES
3d
;',T c.x/X:-(e1 ,9: BOOL..;
P,f.,NIC
CS3 AT 'X·:::;¡~~f3-1_ ~o: BOOL;
/!<.T<'~:,;::~Xf:;114: 800L;
DSbl
Jl.T %GiXtil.1
'*,C::/Ei [ 7: BOOL;
J%T
'·>:~Lit3C.1?:BOOL;
• Et'lD_V,4.F:
CS4 AT')t(;);-:li! .11: BOOL; 0881 AT '~o><ó1.-;-;':800L; 08a2 AT t.::.,::;,;e;G1.i:3: BOOL; DSb1
A.T
Ef\JD_V.A.FI
Al S';:,f/:..U,U 1 :BOOL;
S: BOOl.;
3.
El siguiente es el texto estructurado de algún proceso realizado en el PLC ABB. Deduzca el funciona miento, el diagrama de eventos y dibuje el diagrama GRAFCET. DECLAR>,.C'IÓN
1IV"R I',"OGRAM I
DE VARIABLES
r-----¡
PLC]RG--¡I ¡
1
;~;¿~~;~:;;;.:,~~~~ T~~~;:;~2r;OH: I !¡ SP1 .A,T'1¡ISB~.1: gr)OL;
TIEMP03. TP,
81
j
1'1
TfEMP04: :ON;
!
1,
CONTE01. GTU,
1
LOTE 80').iP, ! I TIEMPO~
I 1
LOTE1: INT;
11
TOLVA2 TOLVA1 AT 8T1
<:..
~
J2
3 BCOL,
MI{,AT''l.;'"),f: ~ eOC'L
l'
,l
CONTE03 CTll CTU CONTE02 I TIEMP06 TnbJ ¡
.. lJ l..
1_ .. _._.
I 1
1
SUST1 Al '"í,C~'l:'i2 :-: er)(IL; SUST2 Al ~'(.'><¡;.i2 !: 800L; CALENT.ADOR1;1.:,,:::,q:{[';':·.a BOOL; 83,A.T ',~,L<\i:'S BOúL, 85 ",1 ·:'~~'5::~: aCiOL; SUST3 ftT ·¡\':;';XÜ2.·S:BOOl; CALENTADOR2 AT
'?:,·O;.:~,.o:.;?< 80C'L;
TAPADO SELLADO
P'.:
YI~;:6:<.~ ~~:BOOl;
,::.T '>,:_.';:;~G:< j
CONTE04: CTU; AC.~.8AJ'ROCE80 END VAR
:':
BOOL;
%C:,~,3; ,¡: BOOL;
Al
4
...._._~.1
PROGR~L>" EN TEXTO ESTRUCTUR'illO
J------. ¡
¡ TiEMP01 (JN:=S2,PT:<-~::::''); 1
j TtEr.':P04(IN:=83,
PT:="j'j:::,c·;):
¡TIEtft.P05(IN:=S5,PT:=T;-~:;;;); ¡TiEt,':P05(IN=S5,PT:=Tt::;:3); i¡COIIlTE01 (CU:=S2,RESET:=PARE,PV:=2); ¡CONTE02(CU:=S3,RESET:=PARE,PV:=2);
i
I¡
~:~;;::~~~:~:~~;:Pp~::;:;::':~,?~;
~T2:=CONTE01.Q; BT3:=COhlTEO'l.Q; lf BT2=)'F:'.T: .';NO BT3= TF:'X: T:-lE~J
BT4:= COhlTE03Q
ANO COtJTE02.Q;
LOTE:= CONTE04,Q;
! BT2:==t.;L8E; BT3:=r
..t..LSE;
SUST1 :=F;>"SE; SUST2:=l:¡·,'Y¡::; MIX== ~""': ..':'~:;;
.
11
SUST3:==F
8T1 = I ': ..:,:.,; ENO_IF;
814:=0; SELLADO:=O;
;,: ..~>:.::
C.!l,LEtn¡:.oOR1
TAPADO:=ü;
:==1-"rL:-;::'
ACABA_PROCESO:= T~UF; ENO_ir
C.l:.LEtn.t·.DOR2:==::-t-l.SE;
CONTE03(CU:=S5,RESET:=P.::RE,PV:=2),
!CONTE04(CU:=SP6,RESET:=P.A.RE,PV:=2);
W PARE
8D:=:-- .•..L:·;!:·; SUST1:= iT-:I:(':'
=n-':?! ..T:
THEN
SUST2:=TF;;.;:--·
I, :~J~~;~~~;:' J . THEI"
CALENT.llDOR1:= ,:~'!T; SU8T3:=¡¡';:!':~: CALENTAD0R2:=:;::L'E;
TAF'AD0:=T:::' :E; T::-U~·1HEtJ IF SP~ ==
IF S3 IF SP1 8T1:=
=
T2~!:':: THEt~
TA?IC'O:=
T,:;o~'~T;-1¡:r~
SUST:?::::~' ••.:..~:.:: CAlENT.-!:JJü:;¡1:= 8T2==Tl~M?0t..(;I: EN['_iF;
;;,i->,l.:;':E:::;
TOLV,A,1:="F TOLV.A,2:=·~Til
==
"j~:.; :~.:.;
F.::'L:'::E-;
8T4:=T~'UE; 11' SP5 = T;'"':'..J1·:' THEN
SUST1 :=;'.,¡;.~.s::; TlEIllPC'3.1:;';;
iF 3;:>5::: TR;jE THEN SELLe.DO:::: ?;'LSE;
IF 85
=
,R,
SUST3:=
=
T.'-!::N
=.o::.. S=::
BT3:=TI=:ll',JC3
Q;
END_lF E!'iD_ir
EtJ['_iF
I l.
END_1F
CAlENT.~¡>ú;:;;2.=T=~?l¡:!.Q,
.
____
.. _~J
4
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
241
5. Controlador Lógico Programable
4.
El siguiente diagrama GRAFCET se obtiene a partir del funcionamiento de un ascensor. Analizar el diagrama y deducir su funcionamiento. Escriba un enunciado y el programa en texto estructurado. Dibuje el diagrama de eventos de acuerdo al funcionamiento.
Ready ResetLift PowerOn
ls
D_lnit_I-1 IN Ready
-i
N R
~I
MotorControl
CheckLimits
ApplyBrake
Proximity(FloorCall)
~
Fault OR EmergStop
= 1 OR Fault Motorlnching
Fault Floor(FloorCall)=1
ANO NOT Fault
N
Alarm
S ApplyBrake R PowerOn
Fin ejercicio
5.6
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
242
S. Controlador Lógico Programable
5.10.
Recursos de los PLCs En esta sección se definen ciertas características particulares de los PLCs.
Según la norma lEC 1131-3, sólo las salidas, entradas y elementos de memoria del PLC pueden ser direccionados directamente por un programa de control. En este caso, el direccionamiento directo significa que en el programa, una entrada, una salida o un elemento de memoria del control, está afectado inmediatamente y no indirectamente a través de una variable simbólica definida. Así pues, los elementos más importantes de un control incluyen las entradas, salidas y la memoria. Sólo a través de las entradas, puede el PLC recibir información de los procesos conectados; igualmente, sólo puede influir en estos procesos a través de sus salidas, o almacenar información en los elementos de memoria para la continua_ ción del proceso. Las denominaciones para los recursos: entradas, están definidos por lEC 1131-3 Y son de obligatorio PLCs. La designación de los elementos mencionados entradas, Q para las salidas y M para los elementos o marcas. Los tres elementos son del tipo BIT.
salidas y elementos de memoria, uso por todos los fabricantes de se realiza con las letras 1 para las de memoria, conocidos como f1ags
Siempre que el control lo soporte, pueden direccionarse recursos con mayor longitud que un BIT. IEC1l31-3 emplea otra letra para describirlos y que se coloca enseguida de las letras 1, Q Y M.
INPUTS OUTPUTS MEMORY
1
BOOl
Q
BYTE WORD
M
Bit sequence of lenght 1 Bit sequence of lenght 8 Bit sequence of lenght 16
Los tamaños de 1BfT, tal como los describe el tipo de datos BOOLE, sólo puede asumir los valores o _O.L Los tipos de datos de secuencias de BITs son los BYTES y las palabras WORD. Que como s"eobserva en la tabla pueden tener 8 o 16 BITs, respectivamente.
1, Q, M IX,QX, MX IB,QB~ MB
BITs 1BIT BIT 816 BITs Input BIT, Output BIT Memory Oulpul BYTE, Memory BYTE Input BYTE, WORD, Oulput WORD, Memory WORD
o binario)
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
243
5. Controlador Lógico Programable
Si los recursos en un programa de control deben ser direccionados directamente, a la designación del recurso se antepone el signo %. La siguiente tabla ilustra algunos ejemplos de este direccionamiento directo.
o %MW27 %QBS
%IXI2 Input BITWORO 125 27 Memory Word I %112 Output BYTES %IW5
Direccionamiento simbólico: Un identificador simbólico siempre consiste en una letra mayúscula o minúscula, dígitos y un guión de subrayado si se requiere. Por ejemplo: para_emergencia, arranca Inicia_motor. Representación de datos. En un programa de control, debe ser posible especificar valores de tiempo, de recuento, etc., IEC1131- 3 ha establecido las definiciones para la representación de los datos a especificar como: • Valores de tiempo. • Valores de conteo • Cadenas. La Norma lEC 1131-3 para diferentes tipos de datos de tiempo es: • Duración: para la medición de resultados • Fecha • Hora del día: para sincronizar el inicio y final de un evento. Puedeestar acompañada por la fecha. La siguiente tabla muestra la representación de varios datos numéricos. DESCRIPCIÓN
EJEMPLOS
DESCRIPCIÓN
Time#18ms DATE_AND_TIME#2006-Q9-30-13:18 :43.55 Duración Hora del día de D#2006-Q9-30 TOD#13:42.55 4* S#377 8#323 1#18ms, t#3.5s, t#3m4s 16#FF 16#03 0,1 12, -S,tiempo 123_456*, +75 (255d) -12.0, -S.O, 0.123_ 2#1101_0011 2#1111_1111 (211d) (255d) Enteros Fecha(211d) Fecha y Hora DA1E#2006-Q9-21 TIME_OF_DAY#13:18:43 t#6h_20m,8s
L) entre dígitos es para facilitar la lectura de de los números, pero no tiene significado
* La línea
EJEMPLOS
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
244
TEORÍA Y LABORATORIO
Controlador Lógico Programable
Declaración de variables. El programa de control .está construido en unidades de organización individuales. Estas unidades son: • Configuración,
• Recurso,
• Programas,
• Bloques de función,
• Funciones
Todas las variables tienen una posición específica. Para los lenguajes de programación textual (ll, ST) las declaraciones de variables son aproximadamente las mismas que las utilizadas en el lenguaje Pasea!. Para los lenguajes gráficos, sería factible una forma tabular con el contenido equivalente. Como se observa en el siguiente texto: VAR
Temp
: INI;
r,,1anuaI
: BOOL;
Full, Open: BOOl;
(4r emperature rFlag for manual operati.on ("Flag for "fui!" aM "open"
.) ") *}
END_VAR
Todas las declaraciones de variables siempre empiezan con una palabra clave, que designa la posición de la variable en la unidad de organización del control (para el ejemplo esta palabra es VAl<) y termina con la palabra clave END_ VAR. las variables y su asignación a un tipo de datos, se introduce entre estas palabras clave, en las que se especifica: un identificador o identificado res simbólicos de las variables, el tipo de dato que se indica tras dos puntos y termina en punto y coma. Este proceso se repite para cada variable a declarar y cada variable se escribe en una línea separada. lEC 1131-3 distingue entre seis tipos diferentes de acceso a las variables. Cada tipo tiene una palabra clave, que introduce la declaración de la variable. Estos tipos de acceso se muestran en la siguiente tabla. lN_ GLOBAL OUT lNF'UT Input variables
-
-
VAR VAR VAR_OUTPUT VAR_ VAR_EXTERN VAR..
Externa! valÍ.ables Global variables Local variables Oulpul variables
las variables de entrada son declaradas con las palabras clave VAR_INPUT y END_VAR. VAR_INPUT Input
: If\IT;
END_VAR
VARJHJTPUT Resultado : INT; END_VAR
VAR_IN_OUT VALOR : INT; END_VAR
las variables especificadas de esta forma representan variables de entrada, alimentadas externamente a una unidad de organización, por ejemplo, un bloque de función. Estas sólo pueden leerse dentro de la unidad de organización. Análogamente, las variables de salida se definen con las palabras clave VAR_OUTPUTy END_VAR.En los casos en que se permitan variables conteniendo valores de entrada y salida, estos deben crearse con las palabras claves VAR_IN_OUTEND_VAR.
AUTOMATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
245
TEORÍA Y LABORATORIO
Lógico Programable
Esta última forma representa otra opción y permite la declaración de variables que pueden ser leídas y utilizadas dentro de una unidad de organización. Para una variable declarada como VAR_IN_OUT se supone que ambos valores serán suministrados hacia y desde la unidad de organización. A menudo, se requieren variables para resultados intermedios, que deben permanecer desconocidos externamente. La declaración de tales variables, denominadas locales, empieza con VAR y termina con END_VAR.
VAR SENSOR : INT; END3AR
VAR_GLOBAL CilobaLvalue : INT; END_VAR
VAR_EXTERNAL GlobaLvdlue : INT; END_VAR
Las variables especificadas aquí son locales para una unidad de organización y solamente pueden ser utilizadas en ella. Son desconocidas para otras unidades organizacionales y por lo tanto inaccesibles. Una aplicación típica son las posiciones de memoria para resultados intermedios, en otras zonas del programa. En el caso de estas variables, hay que observar existir varias veces en diferentes unidades de organización. De esta forma, es que varios bloques de función declaren la variable local SENSOR. Estas variables mente independientes y difieren unas de otras.
que no son de interés que también pueden posible, por ejemplo, locales son completa_
Una variable también puede ser declarada globalmente, en cuyo caso puede ser accedida universaL mente. La declaración se realiza de una forma similar, utilizando las palabras clave VAR_GLOBAL y VAR_EXTERNAL. Para facilitar el acceso de datos global a una unidad de organización, esta declaración debe ser regis_ trada en la unidad de organización. Sin la declaración mostrada arriba, el acceso a los datos globales no sería permisible. Esta estricta unidad de declaración para todas las variables define únicamente qué variables son reconocidas por una unidad de organización y como pueden ser usadas. Un bloque de función puede, por ejemplo, leer pero no cambiar sus variables de salida. Se utiliza la palabra clave AT para asignar variables a las entradas y salidas del control. Las declaraciones hechas de esta forma son el mejor medio para definir el significado de todas las entradas y salidas del control. Si se produce un cambio en el sistema y su conexión al controlador, sólo deberán ser cambiadas estas declaraciones. Cualquier utilización, por ejemplo, del pulsador paro, o de la Temperatura en un programa existente, no se ve afectada por el cambio. Sin embargo, según IEC1131-3 siempre es posible utilizar variables direccionadas directamente tener que asignarlas a un identificador simbólico. La declaración en este caso es como sigue:
VAR AT%14.2 AT %MW1 END_VAR
:BOOL; :WORD;
sin
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
246
5. Controlador Lógico Programable
Inicía/izacíón: A menudo es esencial que a una variable se le asigne un valor inicial. Este valor puede cambiar varias veces durante el procesamiento del programa¡ incluso aunque haya estado definida al principio. los estados iniciales como estos también son importantes para otros datos. Tales valores iniciales se especifican conjuntamente con la declaración de las variables. Una variable global de este tipo denominada¡ por ejemplo Docena¡ se declara para que al principio del programa asuma el valor 12.
VAR_GLOBAL Docena :INT := 12; END_VAR
Como se ha mostrado en este ejemplo¡ el valor de inicialización se inserta siempre entre el tipo de dato (en este caso lNT) y el punto y coma de cierre. La especificación del valor de inicialización siempre requiere el signo ":=11. De esta formal a cada variable se le puede especificar un valor inicial. Fundamentalmente¡ las variables siempre tienen un valor inicial definido al inicio del programa. Esto lo facilita la característica definida en lEC 1131-3¡ en donde los tipos de datos tienen un valor preesta_ blecido. Cada variable es preasignada al valor inicial correspondiente al tipo de dato (a no ser que se especifique lo contrario en el programa). Una lista de los valores iniciales de una selección de tipos de datos elementales puede verse en la siguiente tabla. -
Tipo de Dato
Valor Inicial
BOOL, SINT. iNT', DrNT UINT
o O
BYTE, \/VORO
O
REAL
0.0
TIME STRING
T#Os •• (void string)_
El programa para un control está dividido en unidades de organización sigue en el nivel de programación: • Programas¡
• Bloques de función¡
individuales¡ que son como
• Funciones
Estas unidades de organización de programa están disponibles en todos los lenguajes de programación lEC 1131-3 define una amplia gama de funciones estandarizadas y bloques de función para tareas de control típicas. Aparte de estas funciones especificadas y bloques de función¡ lEC 1131-3 permite la definición de sus propias funciones y bloques de función. Los fabricantes o los usuarios pueden así crear módulos de software hechos a su medida para determinadas aplicaciones.
Funciones. Las funciones son módulos de software que¡ cuando se les invoca¡ proporcionan exactamente un resultado (elemento de datos). Esta es la razón por la que en un lenguaje textual¡ la invocación de una función puede ser utilizada como un operando en una expresión. Las funciones no pueden contener información de estado. Esto significa que la invocación de una función con los mismos argumentos (parámetros de entrada) debe proporcionar el mismo resultado. La suma de valores enteros lNT o la función lógica OR son ejemplos de funciones.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA
y
LABORATORIO
247
5. Controlador Lógico Programable
Las funciones y su invocación pueden representarse gráficamente forma de texto.
como muestra la figura 5.791 o en
F I1dllle
Q
X
Inpuls
y
Output
z t
'. Figura S.79.
Representación
gráfica de una función
Gráficamentel una función se representa en forma de rectángulo. Todos los parámetros de entrada se relacionan en el lado izquierdol mientras que los parámetros de salida se muestran en el lado derecho. En el interior del rectángulo se indica el nombre de la función. Los parámetros formales de entrada pueden especificarse a lo largo de los lados dentro del rectángulo. Esto es necesario con algunos grupos de funcionesl tales como las funciones de desplazamientos de bits. Para funciones con entra_ das idénticasl como es el caso de la función de suma ADDI no se requieren nombres de los parámetros formales.
'lAR
AT %QW4 AT%IW9 AT %lW7 AT%MW1
: INT; : INT; : INT; :INT;
%lW9
%QW4uDD %1W7
.
%MVV1
%IW2 4
parameter
FiguraS.SO.
b) with formal
names
Uso de parámetros
%MW5
"USHl
a) wílhout formal
END_VAR
iN N
parameter
names
formales con funciones
Las entradas o salidas booleanas de una función pueden ser negadasl es decirl invertidas especifi_ cando un círculo directamente fuera del rectángulo
%05.3
AND
%Q4.1
%Ml.1
FiguraS.Sl.
Bloque de función con entrada negada
La función suma ADD ilustrada en la figura 5.82 procesa valores enteros INTI por lo cuall las variables direccionadas directamente tales como %QW4 etc. están declaradas como variables de tipo de dato INT. De la misma formal la función ADD podría aplicarse a valores del tipo SINT o REAL. Las funciones como estas, que funcionan para entrar parámetros de tipos de datos diferentes, se denominan en IECl131-3 como funciones sobrecargadas, independientes del tipo. La figura 5.82 ilustra las características de una función sobrecargada utilizando el ejemplo de una función ADD.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
248
5. Controlador Lógico Programable
sobre
Funcioo
To(k,s los tipos de d.:ltos fE'sulti1ntes
~(lllpermitidos
C.orllOenb'oc1as '1 f)ilrt1metros
VAR A.T ·:.IW! : INT; AT ~.IW2 : INT; AT %~oJ\'I3 : INT; EN[)_VAR
INT~
%IV'll~ ~óN"2~
%t'IW3
P\'1rjrne:tros (le entrada tipo SINT VAR AT %164 : SINT; AT %IB5 : SINT; AT %~'lB6: SINT; SINT~
Figura 5.82.
END3AR
%IB4~%~lB6 %IB5~
Función sobrecargada
ADD
Una función sobrecargada, está limitada a un determinado tipo de datos por el control, por ejemplo, el tipo de datos INT como se muestra en la Figura 5.83 (esto se conoce como una función con tipo). Las funciones con tipo son reconocibles por el nombre de su función. El tipo se indica añadiendo un guión de subrayado, seguido del tipo deseado.
VAR
:
~
__A[_)D
AT 0;.IW1
: INT;
AT %IW2
: INT;
AT %['1W3 Er~D_VAR
IN_T_I
Figura 5.83.
: INT;
Representación
·,.11'''2 %11''¡1~
----~ ADD_INT
l0
%MW3
de una función tipo
Funcíones _estándar. Las funciones estándar más importantes de tecnología de control se relacionan en las siguientes gráficas.
para la realización de tareas básicas
Dado que una- gran variedad de funciones estándar pueden funcionar utilizando parámetros de entrada de diferentes tipos de datos, los tipos de datos se han combinado en grupos. A cada grupo se le ha dado un tipo de datos genérico. Los tipos de datos genéricos más importantes se muestran en las siguientes tablas.
I
T(.,;1.)SIvs ddtos del de plinto flotante tules como REAL., LREAL Tadvs los d.Jtos tipo entero tdl~s TI..)(ivs Jo.$ datos del punto flot..'1nte,talt-s (01110 INT, como UINT, reales ete y para ANY_NUI'1 Tvdos los BITs de Se-CUp.llÜl tdles lomo BOOL, BYTE, \"iORD, et(_ l1ún~os enteros ANY _REAL l' ANY tales _INT como INT, UINT, etr. estL~n contenidos ~n ANY_BIT ANY_INT ANY_REAL
DATOS GENÉRICOS MÁS IMPORTANTES
AUTO MATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
249
Lógico Programable
I
fJ'om)l"e
-' I I
'..>=21<+1 esc.n)(..lon o Entrada D EXCLUSIVA 1'; =Slnno Oper<..Kión OR p.:.íra tod\1s 0l)eraci6n AND par,1 todaslaslasentradas: entradas Operación OR negada
AND XOR OR NOT
Símbolo
FUNCIONES BOOLEANAS BIT A BIT
,Iomhre
ANY_BIT
-
IN
A~IY_BIT
-
N
nescri )c ión la entwd<1 entrada cíclitamente 1" izquierda, en Nllenando llenando a la dede derecha ceros cerosla laizquierda derecha Desplaza IN por N BITs a k1derecha, cíclic<1mente BITs izquierda
SHL SHR ROR ROL
l'lombre
FUNCIONES DE DESPLAZAMIENTO DE BIT
"
'oe['¡PSCI = :~1en(\l jnciOJl Non,In 1'l\:1s Igu<11 <..= <> grandequeigual >= igual, t·1f1-5 grandE" O r-1enor o igual Ho difel'eJltl? ANY_BIT
o ANY_NU~'
GT NE GE LE LT EQ
símbolo
ANY_I\IT
o ANY_NUr'1
FUNCIONES DE COMPARACIÓN
Descripción:
Convierte
variable5
del tipo BYTE, \VORD, etc"
Descripción:
en variables del tipo INT, La secuencia de BITs a convertir contiene di1tos en el formato BeD,
Ejemplo:
Ejen~)10: 2=0011_0110_1001
Convierte variables del tipo INT en variables tipo BYTE, V'¡ORD, ete La secuencia de BITs está en formato BCD
~ BCD_TO_INT
~
369
FUNCIONES PARA CONVERSIÓN DE DATOS
25 1If\1T_TO_BCD
~ 2#0010_0101
FUNCIONES PARA CONVERSIÓN DE DATOS
Bloques de funcíón: Los bloques de función son módulos de software que proporcionan , varios parámetros resultantes. '
uno o
Una característica importante es la posibilidad de re utilización de los bloques de función. Si debe utilizarse un bloque de control en un programa, debe crearse una copia. Esto se realiza a través de la asignación de un nombre para cada caso. Junto con este identificador hay una estructura de datos, que almacena los estados de esa copia del bloque de función (valores de los parámetros de salida y variables internas). La información del estado de la copia del bloque de función permanece inalterable entre un procesamiento y el siguiente. Esto puede demostrarse utilizando el ejemplo del bloque de función estándar para operaciones de conteo. El valor actual del contador permanece de una opera_ ción de conteo a la siguiente y puede así ser interrogada en cualquier momento. Este tipo de comporta miento no puede realizarse a través del recurso lenguaje.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
250
5. Controlador Lógico Programable
También se dispone de la representación gráfica de bloques de función (aparte de la representación en uno de los lenguajes textuales). Estos se representan por rectángulo de la misma forma que las funciones; los parámetros de entrada se introducen por la izquierda y los parámetros de salida aparecen por la derecha como se ilustra en la figura 5.84. El tipo de bloque de función se especifica dentro del rectángulo. A continuación se introducen los nombres de los parámetros formales junto a los lados derecho e izquierdo dentro del rectángulo o caja. El identificador, bajo el cual se define el módulo, se direcciona como se ha descrito para el bloque de función. Si se utiliza un bloque de función, se le debe dar un identificador. Si las entradas están asignadas (es decir, hay disponibles parámetros de transferencia actuales) entonces se utilizan estos para el procesa miento. Si las entradas no están conectadas, entonces se accede de nuevo a los valores almacenados en invocaciones anteriores o se utilizan los correspondientes valores iniciales. . -.
La figura 5.84 muestra el uso del bloque de función estándar para un contador CTU . Identifii?1
cnJ D,lt,:¡t~p
X
Dal'.1IYIJ Inpu~
P
O·T'," Y
Q
Dc:,tatyp
8001.
el.!
BOOL
R
CTU BOOL
Q
cv
113
0.•••
INT
~oW.4-
PV
Dat;) typ Úlllput5
10
CU R
Q
~;,Q2.5
cv
PV
Bk>
Figura 5.84.
Bloque de función: Contador CTU
La copia utilizada del bloque de función CTU lleva el ídentificador Count_Pack. A cada flanco positivo de la entrada %11.3 el valor actual del contador se incrementa en 1 unidad. Cuando se alcanza el valor preestablecido de 10, la salida Q del Count_Pack, y con ello la salida %Q2.5 asume una señal 1; en los demás casos se asume una señalO. La entrada %IOA limpia al contador, lIevándolo al valor cero. También es posible crear varias copias de uno y del mismo bloque de función dentro de un programa de control, como se muestra en la figura 5.85.
o,
T.J>resioll
Identifh~l
nt.1E BOOL Inputs
PT IN
ET Q
11"
11"
~ó[1.7
IN
Q
Ti;7s
PT
ET
Dis.pby~l
PT
Tt;:'3s15ms
TIr'IE BOOl Outputs
Figura 5.85.
Uso de varias copias del bloque de función
TP
La siguiente tabla ilustra los bloques de función más importantes IECl131-3
'
..
F R TOF TP TON CID Re
I
TRIG _TRIG Contador descendente C/)ntddc~' I II de ascendente subida Det<'Cta flanco bajada Tellll:.)rizador ,1de desconexi6n Terl1l.>t.Yizador SR Temporizador "por la pulso conexión Bloque fi.JIición biestable función biestaiJle (predomiml (predomina CTIJ
RESET) SET)
ET
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
256
5. Controlador Lógico Programable
Cuando se acciona M1 el móvil H1 inicia su desplazamiento hacia la derecha D1, liberando el fin de carrera C1' Cuando pasa por la posición Al, acciona otro sensor alr el cual habilita el cruce V, permL tiendo que el móvil H1 continúe su desplazamiento hasta terminar en la posición 8, en donde otro fin de carrera b1 lo detiene. Allí demora 10 minutos, tiempo para descargar el material que transporta, invierte su giro e inicia su regreso en la dirección Gl. El cruce de la vía permanece habilitado para que pase por allí y retorne a la ruta original, llega al punto Cl, en donde el fin de carrera C1 lo detiene. Una operación idéntica realiza el móvil H2, cLiando se acciona el pulsador M2, sólo que cuando pasa por el punto A2, el sensor a2 habilita el cruce V para este segundo móvil. Cuando llega al punto 8, se detiene y allí permanece 20 minutos, tiempo necesario para descargar, invierte el giro y retorna a su punto de origen de acuerdo a la dirección G2. Si se accionan los dos pulsadores simultáneamente,
no responde ninguno.
Si el móvil H1 pasó por el punto Al y se acciona M2, el móvil H2 no responde. Si el móvil H2 pasó por el punto A2 y se acciona M2, el móvil H1 no responde. Si acciona M1 inicia el movimiento H1 y antes que este móvil pase por Al, se acciona M2, el móvil H2 inicia movimiento; entonces el móvil que pase primero por el punto A, será el que tiene el cruce V habilitado y el otro móvil tiene que regresar al punto de partida. Para la situación que se acaba de anotar, el móvil H2 se desplaza al doble de velocidad respecto al móvil Hl.
Cl C2
L::L mi
......-Gi D2 D1--....
c2 el
Figura 5.89.
Proyecto3: Sistema de transporte
de dos móviles
a2 Al A2 Hl al H2
b
Diseñar el diagrama GRAFCET y/o texto estructurado
B
para la secuencia anotada.
_Proyecto 4. En la- fabricación de un compuesto químico intervienen tres sustancias y un solvente
¡
se observa en la siguiente figura. La sustancia C1 es de de naturaleza sólida y para disolverla se debe combinar con un líquido L. La sustancia C2 es coloidal y la sustancia C3 es también sólida (gránulos). El proceso es el siguiente:
I
Inicialmente
COIJlQ
los tanques A y 8 están desocupados y completamente
limpios.
se introduce la sustancia C1 al tanque A hasta que alcanza la altura H1, en seguida se introduce el líquido L y mediante un mezclador _, se combinan los dos compuestos. Un sensor de pH está monitoreando la mezcla y cuando llega al valor de referencia, se detiene la entrada de líquido y la mezcla
-,' ... ...:
-
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL;
TEORÍA
Y LABORATORIO
257
5. Controlador Lógico Programable Si el nivel en el tanque sobrepasa un máximo indicado como H2, se da una señal de alarma, se detiene todo el proceso y se debe extraer la combinación sobrante del tanque, hasta ubicar el nivel ligeramente por debajo de H2, se verifica el pH y se hacen los ajustes anotados. La sustancia extraída se pierde. Simultáneamente al proceso descrito en el tanque A, en el tanque B sé realiza algo semejante: se introduce al tanque sustancia C3 hasta que llega al nivel Ni, luego se introduce la sustancia C2 y un agitador mezcla vigorosamente las dos sustancias. Otro sensor de pH está midiendo la combinación, y cuando se tiene el pH establecido para esta combinación se detienen la entrada de sustancia C2 y el mezclador. El nivel para esta mezcla no debe sobrepasar el nivel N2. Si lo sobrepasa, se da una alarma para detener el proceso y corregir la falla (se extrae el exceso y este sobrante se pierde).
Figura 5.90.
Proyecto 4: Proceso de mezcla de sustancias
Al cabo de un minuto, el agitador del tanque B vuelve a operar y en el mismo instante una bomba comienza a llevar la sustancia desde el tanque A al tanque B. Cuando se combinan las dos sustancias el pH de la nueva combinación se reduce hasta otro determinado valor. Cuando se llega a este valor final de pH, se detiene la entrada de sustancia desde el tanque A, se detiene la mezcla, se deja en reposo la sustancia del tanque B y luego de 5 minutos, la válvula V4 se abre para permitir el envasado de la sustancia. Cuando se completa el embotellado, el tanque B debe quedar completamente desocupado, se lava el tanque y se reinicia la segunda parte del proceso, es decir el llenado del tanque B, puesto que el tanque A tiene sustancia ya que la cantidad de sustancia que se bombeó es pequeña. El proceso se repite hasta que el nivel en el tanque A llega a un mínimo HO, momento en que se lava el tanque y se deja listo para repetir el proceso completo. Una de las situaciones que se puede presentar es que al estar trasladando sustancia desde el tanque A al B, la primera sustancia se agote, así que se detiene el bombeo, se lava el tanque A, se efectúa el subproceso en el tanque A y luego, se bombea sustancia desde A a B, hasta completar el faltante en el tanque B, de acuerdo al pH. Es necesario llevar la cuenta de las veces que las alarmas de sobrepaso de nivel se han accionado, así que si en tres llenados consecutivos de cualquiera de los tanques, se activa la alarma, se debe corregir los niveles o la cantidad de sustancias. Diseñe el diagrama GRAFCIT y/o texto estructurado
de acuerdo las especificaciones del proceso.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
258
5. Controlador Lógico Programable
Proyecto S. El cemento que se lleva a las construcciones se obtiene en una central de mezclas, en donde se mezclan tres tipos de arena, dos tipos de cemento¡ una sustancia acelerante yagua, para obtener, dependiendo de las partes de cada tipo, cinco tipos de mezclado. El proceso se realiza en la central en donde se dispone de las distintas tolvas¡ bandas transportadoras¡ balanzas, etc., necesarias para obtener los tipos distintos de mezclas. El diagrama se muestra en la siguiente figura. CEMENTO
CENTRAL DE MEZCLAS
L
Ad'R~~~6os --'\ 'SYA 'i"
y MOTORl MEZCLA
!
BTA
(_+)~
AGUA
-+
I
_
4!
==t>
l
DE PARTES DE AGUA
I
ME~~~ORA
---
--0 MOTOR3
YIO
VE
Figura 5.91.
I
CONTROL
SALIDA MEZCLA FINAL
Proyecto 5: Central de mezcla para obtener cemento para construcción
La siguiente tabla muestra las distintas partes de cada material necesarias para obtener los cinco tipos distintos de mezcla.
.
43ARENAT3 212 35Tl 3-1ACELERADOR 8-2 16 321 AGUA ARENA T2 10 4--61-2CEMENTOTl 112 15 ARENA CEMENTOT2 MEZCLA
El proceso se explica en la siguiente forma: En un contador que está en la zona de agregados se programan las proporciones de cada tipo de material ¡jara el tipo de mezcla deseado. Simultáneamente en la zona de cementos, otro contador se programa para las proporciones requeridas de cemento, de acuerdo a la mezcla final. Se inicia el proceso en ambas zonas a la vez. El contador maneja la válvula de cada tolva para descar_ gar la correspondiente parte de material en el respectivo depósito en donde se verifica el peso acumu_ lado de los materiales seleccionados y se hace una primera mezcla. Cuando se tienen los agregados correspondientes a alguna mezcla particular, descargan estos mate_ riales en unas bandas transportadoras: BTA es la banda que lleva el material de la zona de agregados y BTC es la banda que lleva el cemento. Estas dos bandas descargan simultáneamente los materiales q e transportan en otro tanque, en donde se mezclan y se agregan las partes correspondientes de
'.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
259
Lógico Programable
agua. Cuando se sensa que no hay material en las bandas¡ ellas se detienen. En la última mezcla se tarda 20 minutos¡ y luego de este tiempo¡ la mezcla final se descarga en los camiones transportadores. Mientras se descarga la mezcla final, el mecanismo de mezclado en el tanque continúa funcionando¡ hasta que se desocupa este. Es necesario incluir sensores de nivel mínimo para cada tolva¡ los sensores de pesaje para los agregados y el cemento y un parado de emergencia, que detiene todo el proceso, pero no lo reinicia. Diseñar el acciona el en el que programa . programar
sistema utilizando diagramas GRAFCET y/o texto estructurado de manera que si el operario pulsador M1 y activa un contador con valor de 10, automáticamente se desarrolla el proceso se obtiene la mezcla 1 y se hace 10 veces; si acciona un pulsador M4 y el contador se a S, entonces se hará la mezcla M4 automáticamente S veces. El máximo número a es 15 veces¡ luego de lo cual se debe hacer mantenimiento y limpieza en la planta.
Proyecto 6. Se pretende automatizar un almacén dotado con cuatro robots móviles (A,B¡C¡D), cuya planta se muestra en la figura. Los 4 robots parten inicialmente de los puntos con sensores de presencia Sa, Sb¡ Sc, Sd respectivamente y solo pueden circular por los rieles dibujados como rectas en dicha figura (Acciones Da, Db, Dc¡ Dd¡ la, lb, Ie¡ Id). Los puntos sensibles para carga están dota_ dos de otros 4 sensores de posición (Sl, S2, S3, S4) Y los de descarga son los puntos de partida de los robots A y B (sensores Sal, Sbl)¡ el punto donde se encuentra el sensor Sa2 para el robot D yel punto donde se encuentra Sb2 para el robot C. El esquema del sistema se muestra en la siguiente figura.
n
tJdA~ Da'la Sal
Se
Sal
en tJd
52
b-d nB~2
Sbl
Figura 5.92.
Proyecto
6: Mecanismo
de transporte
con cuatro móviles robot
El automatismo presenta además las siguientes especificaciones: 6.1. Tras activar el pulsador de arranque PA, los 4 robots-móvil salen simultáneamente de los puntos de partida (A,B¡C,D) y se paran en su punto de carga más cercano (Sl, S2, S3¡ S4). 6.2. Cuando todos han terminado de cargar, los robots A y B se dirigen simultáneamente hacia sus puntos de partida (A,B) para descargar, permaneciendo C y D en reposo hasta que termina la descar_
ga. 6.3. Terminada la descarga y para evitar colisiones se decide que el robot C tome el cruce primero en dirección a B donde debe descargar (sensor Sb2). 6.4. Al llegar C a S2¡ D sale en dirección a A para completar su descarga (sensor Sa2)' 6.5. Finalizada la descarga de C y D ambos retornan a sus puntos de partida (Sc y Sd) y nuevamente para evitar colisiones¡ ambos esperan la Itegada del otro antes del cruce (Sl, S2). En esta ocasión el robot D pasa primero y al llegar a S4 arranca C desde S2¡ finalizando el ciclo cuando ambos llegan a sus puntos de origen (Sc, Sd). 6:6. Todas las cargas duran 10 segundos. , : ...•..
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
260
5. Controlador Lógico Programable
6.7. Las descargas de C y D duran 20 segundos. Las descargas de A y B 50 segundos. 6.8. La activación de un pulsador de emergencia PE detiene a todos los robots. Diseñar el sistema utilizando diagramas GRAFCET y/o texto estructurado.
7. El siguiente es un proceso de clasificación de objetos. La descripción del proceso y los esquemas que lo ilustran se muestran a continuación. ZO~ADE CL-.-\.SInCACIÓ~-
CILINDRO ELEVADOR
eE
CiDt:\.
ZODlI d. C):l'tifirnci
R:hrllho VistRLafe1'nl
•
•
Ci
co ••.• CINTA 3
'
.... "
~'~'~'-
Figura 5.93.
. ~~.
Bl
.
Proyecto
Yhlil Superior
7: Proceso
de clasificación de objetos
El proceso consiste en el pesado, clasificación y transporte de una serie de paquetes procedentes de una línea de producción. Se comienza al pulsar el interruptor de inicio ON, la primera acción a realizar será poner en funcionamiento la cinta de entrada de paquetes (Cinta O). Esta cinta alimentará de paquetes a la báscula, en dicha báscula se colocará una fotocélula (Fl) para detectar la presencia de un paquete, instante en el cuál la Cinta O se detendrá. Cuando el paquete se encuentre en la báscula ·se esperará .3 segundos tiempo suficiente para que la báscula pese el paquete. El paquete será clasificado en grande o pequeño. Transcurridos estos tres segundos, la Cinta 1 se pondrá en funciona_ miento trasladando el paquete, ya clasificado, desde la báscula al cilindro neumático (Cilindro elevador CE) que va a elevar el paquete hasta la zona de clasificación propiamente dicha. En el cilindro elevador CE, hay un detector de presencia de paquete (Pl), si se activa y el cilindro está en la posición CO (y por seguridad los cilindros A y 6 están en su posición de reposo, finales de carrera AO y 60), el cilindro co ienza el ascenso hasta fin de subida (final de carrera C1). Si pc
paquete está en la zona de clasificación y el paquete es grande, se activa el cilindro A llevando el ete sobre la Cinta 2 (Fin de carrera Al). Cuando el paquete está sobre la cinta 2, simultánea_
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
261
5. Controlador Lógico Programable mente el cilindro A retrocede hasta la posición inicial (Fin de carrera AO) y la cinta 2 se pone en funcionamiento durante 10 segundos tiempo suficiente para que el paquete se desplace hasta el contenedor de paquetes grandes. Si el paquete está en la zona de clasificación y el paquete es pequeño, se activa el cilindro 6 ubicando el paquete sobre la Cinta 3 (Fin de carrera 61). Cuando el paquete está sobre la cinta 3 simultáneamente el cilindro 6 retrocede hasta la posición inicial (Fin de carrera 60) y la cinta se pone en funcionamiento durante 10 segundos tiempo suficiente para que el paquete se desplace hasta el contenedor de paquetes pequeños. Una vez que se ha parado la cinta y ha retrocedido hasta su posición inicial el cilindro correspondiente, se produce el descenso del cilindro elevador hasta la posición inicial (CO). Comenzando el ciclo de nue_ vo. Siempre debe haber paquete sobre la banda cero para que el proceso sea ininterrumpido. Se debe llevar un conteo de paquetes, que corresponde a la capacidad de almacenaje, así para paque_ tes grandes la capacidad es de 10 y para paquetes pequeños es de 5. Cuando se llega a estos límites, una alarma indica que se debe cambiar el depósito correspondiente. Mientras esté en este cambio, de debe detener todo el proceso; para reiniciar se acciona un pulsador de arranque. La alarma debe discriminar si el cambio es del depósito de paquete grande o de paquete pequeño.
Proyecto 8. La siguiente figura muestra un mezclador de pintura. En la parte superior del mezclador hay cuatro tuberías por donde suministran cuatro componentes diferentes. Uno de ellos, el de la 60mba_1, es disolvente y los otros son pinturas de diferentes colores. En la parte inferior se aprecia una sola tubería que transporta la mezcla de pintura preparada. El programa controla la selección, color y grosor de la pintura, la operación de llenado, supervisa el nivel del tanque, controla un ciclo de mezcla y calefacción y el control de vaciado. Se expone a continuación una descripción literal simplifi_ cada. 8.1. Llenar el tanque con los componentes adecuados a la pintura requerida La proporción de los componentes se indica en la tabla. 8.2. Supervisar el nivel del mezclador para cerrar el interruptor de nivel superior. Cuando se llega a este nivel, se cierran las bombas que llevan los componentes al tanque. 8.3. Se inicia el proceso de mezcla y calefacción. La mezcla tarda mayor tiempo que la calefacción en una relación de 3 a 1, es decir, por tres unidades de tiempo que esté en mezcla, una unidad de tiempo tarda en inyectar vapor a la mezcla. Esta parte se hace simultáneamente, así que la inyección de vapor termina antes de la mezcla. 8.4. Estando la mezcla lista, se vacía la pintura a los depósitos de almacenamiento.
Figura 5.94.
Proyecto 8: Proceso de mezcla de pinturas.
.r_
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
262
5. Controlador Lógico Programable Se debe desocupar completamente
el tanque, para lavar el tanque e iniciar un nuevo ciclo.
Proporción de componentes
para las distintas mezclas
--- 4P SP 3P 2P - 6P COLOR DISOLVENTE 23 1 3P 2P 3P 4PCOLOR 10P 8P SP lP MEZCLA 4P 3P SP II
1
II
El nivel inferior dentro del tanque se utiliza para controlar que cuando el tanque se esté desocupando, las bombas no queden sin pintura (funcionamiento en vacío). Diseñar el programa, de acuerdo a las especificaciones anotadas. Desarrollarlo en GRAFCET y/o Texto estructu rada.
Proponer mejoras al proceso anotado, de manera que se optimice su funcionamiento. Proyecto 9. El proceso propuesto es la Automatización de una máquina de lavar ropa. Se desea controlar una máquina de lavar ropa con un programa funcionamiento de la máquina será:
de lavado en frío. El ciclo de .
9.1. Para iniciar el ciclo hay un pulsador de puesta en marcha. Al inicio del ciclo se llenará el tambor de agua a través del accionamiento de la electroválvula E hasta que se active el detector de nivel. Este detector de nivel se activa cuando el tambor está lleno de agua y se desactiva cuando esta vacío. 9.2. El lavado constará de SO ciclos. En cada ciclo el motor girará 30 segundos en un sentido (sentido horario motor H) y 30 segundos más en sentido antihorario (motor A), dejando una pausa de 0.5 segundos en cada cambio de sentido. 9.3. Después de lavar se vaciará el agua del tambor mediante una bomba B hasta que se desactive el sensor de nivel. Mientras funciona la bomba el tambor girará en sentido antihorario (motorA). 9.4 Después del lavado habrá cuatro aclarados. cada aclarado comenzará llenando el tambor de agua a través de la electro válvula E hasta que se active el detector de nivel. Un aclarado constará de 10 ciclos. En cada ciclo el motor girará 30 segundos en cada sentido, dejando una pausa de 0.5 segundos en cada cambio de sentido (igual como el lavado). 9.5. Después de cada aclarado se vaciará de agua el tambor mediante una bomba hasta que se desactive el detector de nivel. Mientras funciona la bomba el tambor girará (motor A). 9.6. Una vez acabado el último aclarado se centrifugará (motor C) durante S minutos. Durante el centrifugado
ha de funcionar la bomba de vaciado.
Se pide: Desarrollar el programa del proceso escribiéndolo en los cinco lenguajes.
Pro¡x;ner mejoras al proceso propuesto y aplicarlas en su programa.
AUTOMATIZACIÓN INDU 5. Controlador Lógico Prog
LABORATORIO
c-"-¿
Proyecto 10*. Se quiere a---=:-,-::-
~ctor
sistema lleva un pulsador de e funcionamiento es el siguiente:
263
químico de la figura 5.95. Además de las válvulas, el de parada y una lámpara para indicar funcionando. Su
ce readivo alcalino hasta alcanzar el nivel H2. A partir de • Al pulsar el botón de arranq e, se 'aquí, se vierte readivo ácido has:.c - el nivel H3. Mientras se introducen los componentes de la mezcla, la válvula de escape pe ierta. A continuación se cierra esta válvula y comienza el proceso de calentamiento de la que el sensor de temperatura marca el máximo. Mientras irección. Una vez alcanzada la máxima temperatura, se se calienta, se agita la mezcla en l.! ~ interrumpe el calentamiento y se abre - ' la de escape y la de salida normal. Cuando el nivel en el tanque baja hasta H1, se cierra la vá a e salida y se inicia un nuevo ciclo. En todo momento la lámpara de funcionando permanece ence - a. Si al pulsar el botón de arranque, el nivel de la mezcla supera H1, primero se vacía el depósito a través de la válvula de salida defeduosa, hasta dejarlo en el nivel H1. • Si se pulsa el botón de parada, el reactor sigue los pasos del proceso como si fuera normal hasta finalizar la etapa de vaciado. En vez de iniciar un nuevo ciclo va a situación de parado. • Si en algún momento se adiva el sensor de máxima presión, se abre la válvula de escape, se vacía el depósito a través de la salida defeduosa y se va a la situación de parado.
ReiY-:!ivo alc:alirlOc
Figura 5.95. Proyecto 10: Reactor químico
(a) Definir las entradas y salidas del sistema. (b) Dibujar el GRAFCET de control.
()- -i
el programa de control. Se pueden utilizar texto estrudurado
--car el programa de control para que el agitador cambie el sentido de giro cada lOs.
,¿ •~
rar el programa anterior para limitar la fase de calentamiento de la mezcla a 10min. Si inutos no se ha alcanzado la máxima temperatura, se procederá de forma igual que en el nzar la máxima presión. ee Intemet.
*. La
empresa ControlPLC ha recibido el encargo de automatizar la entrada de una nave i-CC. =sta entrada, que es única, tiene dos puertas: Puerta1 y Puerta2, con una cámara inter_ ¿ _~- 1 permite el acceso desde la calle a la cámara intermedia; la puerta 2 permite el 3:::3;::ES:2 cámara intermedia al interior de la nave. Cada puerta está dotada de 2 sensores para
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
264
5. Controlador Lógico Programable indicar si está subida o bajada (Subida1, Bajada1, Subida2, Bajada2) '~ bajar la puerta (MIS, MIB, M2S, M2B). Además cada puerta tiene (Sensor_Pl, Sensor_P2) que se activa cuando un coche o camión está entrada hay situado un lector de tarjetas. Éste lector tiene dos sal" es lógico durante 5 segundos cuando la tarjeta es correcta (Te) y la otrc salida es incorrecta (TI), también durante 5 segundos. La secuencia de funcionamiento
ue puede subir o sensor de posición la puerta. Junto a la TI): una genera un 1 un 1 lógico cuando la
de la entrada es la siguiente:
• El conductor del coche llega a la entrada, introduce su tarjeta en el lector de tarjetas y la retira. Independientemente de si la tarjeta es correcta o incorrecta, comienza a abrirse la puerta lo •
Una vez que el vehículo ha cruzado la puerta 1 (está en la cámara intermedia), comienza a bajar dicha puerta.
• Si la tarjeta es incorrecta, una vez bajada la puertal, suena la alarma (ALARMA): los carros están en la trampa. Para desactivar la alarma y abrir las puertas hay que introducir una tarjeta correcta en el lector de tarjetas. Si nuevamente se vuelve a introducir la tarjeta correcta se bajan las puertas. •
Si la tarjeta es correcta, comienza a abrirse la puerta 2. Cuando cruza el vehículo esta puerta, se cierra.
• Si el vehículo tarda más de 20 segundos en atravesar alguna de las puertas, también suena la alarma. Para desactivarla se procede de igual forma que en el caso de tarjeta incorrecta: se introduce la tarjeta correcta para desactivar la alarma y abrir las puertas y una segunda introducción de la tarjeta correcta baja las puertas. •
Cuando se inicializa el sistema se cierran las puertas si no estaban cerradas.
Diseñar el GRAFCET de la automatización
y escribir el programa en texto estructurado.
• Problema copiado de Internet.
Proyecto 12*. La empresa ControlPLC ha ampliado su negocio al mundo ferroviario. Recibió un pedido para automatizar un cambio de agujas para un túnel. Si los trenes son demasiado altos se desvían por una vía auxiliar AUX sin túnel, en vez de utilizar la principal PRIN (con túnel). Datos de la instalación: • Posición 20km: A 20km de la boca del túnel se han situado dos sensores de posición: el primero, STREN20, se activa en el momento que inicia el paso un tren y permanece activo mientras el tren está pasando; el segundo, SAEXCE se activa si mientras está pasando el tren se detecta exceso de altura. Permanece activo mientras dura el exceso de altura. En esta posición hay un semáforo, SEMA20. • Posición lOkm:-j;l~km' :delá boca del túnel está colocado el sensor de posición STRENlO que se activa mientras un tren cruza esa posición. También hay colocado otro semáforo SEMAIO. • Posición cambio de agujas: A Skm de la boca del túnel está situado el cambio de agujas. Mediante dos señales MAUX y MPRIN se controla el motor que realiza el cambio de agujas. Activando MAUX se cambia a la vía auxiliar y activando MPRIN, a la vía principal. Hay dos finales de carrera, uno en cada vía, SFAUX y SFPRIN para indicar si uno de los cambios se ha realizado. • Posición lkm: A 1km del cambio de agujas, tanto en la vía principal como en la auxiliar se han colocado dos sensores de posición SPRIN y SAUX. Mientras un tren cruza una de esas posiciones, se activa el sensor correspondiente. El sistema tiene dos modos de funcionamie MANUAL y AUTOMATICO se selecciona
o
El modo MANUAL funciona de la siguie te • El cambio de agujas se debe correspollde:I" hace el cambio de agujas correspondien'
to: manual y automático. Mediante dos pulsadores, e
OOos.
e: a
"liar. Si al seleccionar MANUAL no es así, se
265
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
;..:
Tlmet
!'.J.UX
MP?.IN'
C:uubio
S?.AOX
agujas
SFPRIN
. 10 km.
SEl'.A20 STREN20
20 km.
SAEXCE
Figura 5.95.
Proyecto
12: Control
en vías ferroviarias
• Si el cambio de agujas es correcto, los dos semáforos permanecen abiertos. • Cuando arranca el sistema, el modo por defecto es el MANUAL. En el modo AUTOMATICO funciona de la siguiente manera: • El cambio de agujas se debe corresponder con la vía principal. Si al pulsar AUTOMATICO no es así, se hace el cambio de agujas correspondiente, si se puede. • Si al pasar un tren por la posición 20km se detecta que es alto, se cierra el semáforo de la posición lOkm y se inicia el cambio a vía auxiliar. Una vez que el cambio ha sido realizado, se abre el semáforo de la posición 10km. Cuando el tren rebasa la posición lkm en la vía auxiliar, se vuelve a hacer el cambio a la vía principal. Si el tren detectado en la posición 20km es normal circulará por la vía principal sin parar siempre que el cambio de agujas sea correcto. • Siempre que un tren es detectado en la posición 20km, se cierra el semáforo de la posición 20km y no se abre hasta que el tren no haya sobrepasado la posición lkm en la vía principal o en la auxiliar. En cualquier caso, mientras se realiza el cambio de agujas los semáforos de 20km y lOkm están cerrados. Si durante el modo AUTOMATICO se selecciona el modo MANUAL, o viceversa, habrá que esperar a que la vía quede despejada para hacer el cambio de agujas si es necesario e ir al modo seleccionado. Diseñar: 1. GRAFCET del sistema de control descrito 2. Mejorar el GRAFCET para tratar situaciones anómalas: • Si en cualquiera de los casos se detecta que un tren se salta alguno de los dos semáforos, se activa la señal de ALARMA y se activa la señal de radio-control FRENAR para que frene de forma automática el tren. En cualquiera de los casos el tren necesita lkm. para poder frenar. El sistema salta a modo MANUAL, los semáforos permanecen cerrados, y se selecciona la vía auxiliar. La alarma y la señal de FRENAR se desactivan cada vez que se pulsa MANUAL. Los semáforos permanecen cerrados mientras no salga el tren por la vía auxiliar. • Si pasado 10 minutos desde que el tren fue detectado en la posición 20km, todavía no ha cruzado ni SAUX ni SPRIN, el sistema de control activa la señal de tren PARADO. Ésta permanece activa hasta
AUTOMATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
266
Controlador Lógico Programable
,.~ ....
que no cruce. El control salta a modo MANUAL si ya no lo estaba, permaneciendo cerrados y sin realizar ningún cambio de aguja.
los semáforos
• Problema copiado de Internet.
Proyecto 13*. La empresa ControlPLC ha recibido otro trabajo dentro del mundo ferroviario. Se trata de automatizar una vía secundaria asociada a una vía principal de un sólo sentido tal como muestra la figura. La función de la vía secundaria es permitir la circulación de trenes lentos y rápidos por la misma vía. SPrinD
HAuxD FAuxD MPrin D
MAuxA FAuxA MPrinA FPrinA
SernaPrin SPrinA Figura 5.96.
i
Proyecto 13: Control a vías ferroviarias.
Los trenes lentos esperan en la vía secundaria a que pase el tren rápido. Todo el conjunto es vigilado por el operador de forma visual desde un puesto de mando. Para automatizar el conjunto se dispone de: • 2 cambios de aguja: A y D. A controla la entrada a la vía secundaria y D la salida de la vía secun_ daria. Ambos cambios de aguja van equipados con un motor con un equipo de control que permite seleccionar a través de dos entradas (MPrin y MAux) el movimiento entre vía principal y vía auxiliar. Además cada cambio de aguja lleva asociado dos finales de carrera (FPrin y FAux) para indicar si el cambio se ha realizado correctamente. • 4 sensores de posición (SPrinA, SPrinD, SAuxA y SAuxD) para determinar
la posición de los trenes.
• 2 semáforos (SemaPrin y SemaAux) para ordenar el tráfico entre vía secundaria y vía principal. El operador del puesto de control dispone de dos pulsadores: • PRlNSEC: da la orden al automatismo para que el siguiente tren de la vía principal pase a la vía secundaria. La forma de operar es la siguiente: primero, si hay tren entre SPrinA y SPrinD, el automa_ tismo espera a que salga. A continuación, cierra el semáforo SemaPrin y realiza el cambio de agujas a la vía secundaria. A continuación, abre 5emaPrin y espera a que el tren esté en la vía secundaria (para ello utiliza SAuxA).
Cuando el tren está en la vía auxiliar, vuelve a cerrar SemaPrin, cambia a la vía principal y vuelve a abrir SemaPrin. En todo momento eJ áforo SemaAux permanece cerrado. La longitud de los trenes siempre es menor que la distancia e SAuxA y SAuxD.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
267
Lógico Programable
• SECPRIN: da la orden al automatismo para que el tren que está en la vía secundaria pase a la vía principal. Opera de forma similar a PRINSEC: cuando no hay tren en el tramo de vía comprendido entre SPrinA y SPrinD, se cierra el semáforo SemaPrin, se realiza el cambio de agujas (D) a la vía secundaria y se abre el semáforo SemaAux. A continuación el automatismo espera a que el tren salga de la vía (SPrinD). Una vez que ha salido, se vuelve el cambio de agujas a la vía principal y se abre el semáforo SemaPrin. Tal como se ha descrito el sistema, si el operador no ha dado ninguna orden a través de los pulsadores, o hay un RESET, o después de un corte de luz, los cambios de aguja deben seleccionar la vía principal. Cuando el operador da una orden el sistema, éste no acepta una nueva orden (aunque se pulsen los pulsadores) hasta que la orden haya sido completada. 1. GRAFCET del sistema de control descrito f.2. Diseñar la parte del programa correspondiente
a las acciones asociadas a las etapas.
3. Mejorar el GRAFCET para tratar la situación anómala de falta de respuesta del sistema (no se realiza el cambio de agujas), cuando después de dar una orden con los pulsadores, han pasado 5 minutos y ésta no se ha realizado. Si esto ocurre se activa la señal ALARMA. Ésta se desactiva si se vuelve a accionar nuevamente el mismo pulsador utilizado para dar la orden de cambio . • Problema copiado de Internet.
Proyecto 14. El siguiente esquema ilustra un proceso de mezcla de dos químicos. El tanque tiene que ser llenado con dos químicos, mezclado y drenado. Cuando se acciona el pulsador de inicio (Starf) se activa la bomba 1 y durante 5 segundos introduce la sustancia química 1 al tanque y entonces se detiene. Luego la bomba dos introduce el segundo químico al tanque durante 3 segundos. 3 segundos después se energiza un agitador que mezcla los dos químicos durante 60 segundos. Se detiene y al cabo de 10 segundos, nuevamente se activa y durante 30 segundos termina la mezcla. Después de 10 segundos de reposo, la nueva sustancia es expulsada por la bomba 3, tardando el tiempo necesario hasta que se desocupa el tanque (determinar ese tiempo). Si en alguna parte del proceso ocurre alguna anormalidad, se detiene con el pulsador de parada (stop). Diseñar el sistema, y expresar la solución en los cinco lenguajes estudiados.
PrOCGSS
Centrol
?ump iOO:I)
Purnp 1
(00,0)
2
Start (l0,0!
Stoo na.1j f\•.fxc!
tvlct(;~ (00.2)
Figura 5.97.
Proyecto 14: Proceso de mezcla de dos químicos.
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
268
5. Controlador Lógico Progra able
Proyecto 15. El proceso es el control de una báscula industrial de precisión y su esquema se mues_ tra en la siguiente figura.
ONPER
O@@
Figura 5.98.
Proyecto 15: Báscula industrial
El sistema de control del proceso sigue la siguiente secuencia de funcionamiento: Cuando se pulsa el botón de comienzo ON el sistema debe de realizar la apertura de las dos compuertas C1 y C2. La compuerta C1 permanece abierta hasta que la báscula marque la lectura Ll. Cuando la báscula marca Ll, se cierra la compuerta C1 y permanece abierta C2 hasta que la báscula marque la lectura L2. Cuando la báscula marca L2 se cierra la compuerta C2. Una vez que en la báscula se tiene la cantidad precisa de sustancia, se acciona un pistón VB que produce el vaciado de la báscula hasta que se activa el sensor de final de vaciado durante este proce_ so el paso de la báscula por L1 no debe producir ningún efecto. Si durante el proceso se pulsa el interruptor de paro de emergencia PE, se deberán cerrar todas las compuertas en cualquier momento del ciclo de funcionamiento y se para el sistema. El sistema reanu_ dará el funcionamiento cuando se pulse el interruptor de rearme R, y se debe continuar el ciclo en el momento en que se interrumpió. Si durante el ciclo se pulsa el interruptor muestra el proceso a controlar.
de inicio no debe suceder nada. En la siguiente figura se
Elaborar el programa que cumple con las especificaciones utilizando los cinco lenguajes.
Proyecto 16*. El siguiente es un proceso de tipo continuo estructura de la planta se muestra en la figura 5.99.
para la fabricación de mermelada.
En el proceso de fabricación de la mermelada entran los siguientes componentes: pectina, zumo, pulpa y sabores.
La
azúcares, ácido,
En el tanque de doble pared (calderón), calentado suavemente con vapor, se prepara el jarabe de alta concentración en azúcar. Para ello se mide una determinada cantidad de agua que se calienta y se somete agitación suave (1). Lentamente se vierte azúcar la cual irá disolviéndose. Una vez disuelta, se vacía el jarabe e depósito o tanque (4), en donde, mediante un serpentín con vapor circulante, se calienta hasta u a emperatura controlada con el termómetro (5).
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
Figura 5.99.
269
Proyecto 16: Proceso de fabricación de mermelada.
A la salida del depósito (4) existe una bomba de alimentación de jarabe (6), la cual puede hacer circular el líquido para mantenerlo a temperatura uniforme evitando que se caramelice por exceso de temperatura del serpentín. Esta bomba alimenta a otra (7)/ que en proporción determinada/ dejará pasar una cantidad conveniente de jarabe que se haya de mezclar con los otros ingredientes que constituyen la mermelada. Por tratarse de productos viscosos aun calientes, hay que evitar que se aireen en las caídas de los depósitos, por lo que la caída del depósito (1) al (4), así como en la recirculación de este mismo depósito, habrá que dar contra la pared, para que resbalen los líquidos por esta. En el depósito (11) se prepara la solución de pectina, operación lenta/ por lo que es conveniente que este depósito vierta al (9), para que mientras se consume una carga pueda ser preparada la siguiente. Del tanque o depósito (9) una bomba igual a la del (7), la (8) medirá la cantidad de pectina a mezclar con el jarabe del depósito (4). También como antes, se habrá determinado previamente la cantidad que se haya de mezclar, mediante pruebas en el laboratorio y comprobaciones fabricación. En el depósito (10) se vierte el zumo concentrado de las frutas que se habrá preparado con anticipa_ ción. Este zumo puede estar reforzado con sabores naturales o artificiales característicos de cada fruto. Otra bomba medirá la cantidad que se haya de mezclar con los otros dos componentes. En el supuesto que este zumo neve pulpa de fruta (como fresa, pulpa o corteza de naranja, etc.), este depósito deberá estar provisto de un agitador igual al de los depósitos (1) y (11). Su misión es la de impedir que se separe o sedimente la pulpa, ya que en otro caso la uniformidad de la mermelada no sería correcta. A la mezcla de los componentes principales: jarabe, pectina, zumo concentrado y sabores, puede ser agregada la cantidad de ácido requerida al final de su concentración, siendo después impulsada a través de un calentador, en donde se calienta hasta la temperatura de 100°C. El producto caliente se vierte en el depósito de lIenadora (12). Esta lIenadora puede ser automática y mediante una llave se deja caer el producto al interior del envase (vidrio u hojalata). : .
De acuerdo al proceso descrito, diseñar un programa utilizado GRAFCET que pueda ser aplicado a este proceso industrial. Hacer las consideraciones que crea convenientes para optimizar el proceso. Anote sus sugerencias explicándolas con detalle. . *Tomado
de Internet
AUTOMATIZACIÓN
S. Controlador
INDUSTRIAL:
270
TEORÍA Y LABORATORIO
Lógico Programable
Proyecto 17. Proceso de selección y pintura de piezas. Un proceso de selección de tres piezas diferentes y pintura consta de: -
Tres bandas transportadoras, cada una de ellas lleva piezas metálicas con características particulares. Un brazo robot (B-R) que se encarga de llevar cada objeto a una cuarta banda transportadora. Una cuarta banda transportadora en la que el robot deposita las piezas tomadas de las tres bandas. Una zona en donde las piezas pasan por pintura y horneado (P-H). Tres depósitos en donde se ubica cada pieza de acuerdo al color.
EL pictórico del proceso se muestra en la figura 5.100.
,1
P Pl
PIEZAS
1
D
~ ~
BTl
D DEPOSITaS
~ 6
MECANISMO DE PINTURA. ELECTROSTATICA I'HORNEADO
~ ~
BT3
~
~1
~P3
Figura 5.100. Proyecto 17: Procesode pintura de diferentes piezas
La Operación del proceso: 17.1. En cada banda se colocan piezas de diferentes características de fabricación, aunque todas son metalicas, así: En BTl se colocan piezas cilíndricas En BT2 se colocan piezas cúbicas En BT3 se colocan piezas piramidales.
La base de todas las piezas es cuadrada Los objetos son colocados por un operario. La primera pieza se coloca y el operario acciona un pulsador de marcha, así que la banda inicia movimiento llevando el objeto respectivo; en adelante esta banda permanecera en movimiento, así que las demas piezas se colocan una a continuación de otra, estando la banda en movimiento. Cuando el objeto llega al otro extremo de la banda, se detiene esta y no es posible colocar mas piezas en esa banda, hasta que reanude su movimiento automaticamente. Debido a que la longitud de las bandas BT1, BT2 Y BTI es de longitud apreciable, perfectamente caben 50 piezas, uno tras otra y también distanciados entre ellos (posteriormente se indican las dimensiones de los distintos elementos).
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
271
5. Controlador Lógico Programable Esta operación y capacidad se cumple para las tres bandas. Y en forma simultánea. 17.2. Cuando un objeto llega al final de cualquiera de las bandas, esta se detiene y queda en espera a que un brazo robot retire la pieza. En el instante que el robot retira la pieza, la banda correspondiente reinicia su desplazamiento, ubicando otro objeto al final. La selección del objeto en cada banda por el robot sigue el siguiente orden de prioridad: - Si solo hay una pieza en espera, el robot la recoge. - Si hay dos piezas o tres en espera el robot las recoge así: Piezade BTl más prioritario Piezade BT2 Piezade BT3 por último. 17.3. Cuando la pieza se coloca en la banda BT4 esta inicia movimiento desplazando la pieza a una zona cerrada de pintura; allí se discrimina el tipo de pieza para pintura, asignando los siguientes colores: Piezacilíndrica pintura verde Piezacúbica pintura amarilla Pieza piramidal pintura roja. La pintura es electrostática,
de secado rápido, ayudado con un calentamiento
Cuando la pieza se ubica dentro de la zona de pintado-horneado,
suave de la pieza.
la banda BT4 se detiene.
Mientras BT4 esté en movimiento, el robot puede colocar más piezas y cuando la banda se detiene puesto que se ubicó pieza en la zona de pintado, no se colocan piezas. 17.4. Luego del proceso de pintura y secado, la banda BT4 reinicia su movimiento hasta que la pieza se deposita en las cajas de empaque, las cuales se encuentran al final del recorrido de BT4. En cada caja se introduce un número definido de piezas del mismo tipo y color, selección realizada por otro operario 17.5. Cuando se completa el número de piezas programado por lote, las bandas BTl a BT3 no funcionan más, así que las piezas que hayan quedado en estas bandas, son retiradas manualmente. Datos adicionales: • Las bandas BTl a BT3 tienen longitud de 15m • La separación mínima entre piezas en la banda es de 10cm • Cada objeto ocupa una longitud por lado de 20cm • Tiempo en desplazarse el primer objeto desde el momento que se acciona el pulsador, hasta llegar al final de la banda es de 80s ~ Tiempo que tarda el brazo robot en retirar objeto, llevar hasta BT4 y volver a coger otra pieza 15s • LOngitud de BT4 50m • Tiempo en llevar pieza desde el inicio de BT4 hasta la zona de pintura 30s • Tiempo de pintura y secado 60s • Tiempo desde zona de secado hasta el final de la banda (depósito) 30s • Cada pieza está separada en BT4 50cm mínimo, para asegurar que dentro de la zona de P-H solo se tenga una sola pieza. • Longitud sobre BT4 de la zona de horneado 30cm. • Distancia mínima entre paredes del horno y la pieza exterior más próxima 10cm. • Capacidad de cada depósito 10 piezas • Cuando B-R acerca objeto a BT4, esta puede estar detenida o en movimiento. Si está detenida y hay espacio para colocar objeto, se coloca la pieza. Si está detenida y no hay espacio para colocar pieza, el • B-R queda en espera.
~,
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
272
Controlador Lógico Programable
• BT4 se detiene si: objeto está en zona de P-H, o no se ha colocado ninguna pieza, o cuando los depósitos están llenos y se están colocando empaques vacíos . • Cuando se llega a la capacidad del depósito, una alarma avisa que se debe retirar y colocar otro depósito vacío. • El número de lote de cada pieza debe ser múltiplo de 10, así por ejemplo, si se programan 10 lotes de piezas cilíndricas, al completar ese número una alarma visual se activará permanentemente hasta que se completen los lotes de las otras dos productos, así que cada tipo de pieza tiene su alarma particular. • Cuando se completan todos los lotes, se finaliza el proceso. No se indica en el dibujo los sensores utilizados, pero obviamente se tendrán que utilizar y disponer sobre la estructura. Analizar el enunciado del problema y sugerir mejoras para que el proceso sea óptimo.
Proyecto 18. Proceso de tasado de sustancias y llenado. El siguiente esquema representa sustancias líquidas.
la estructura
Vl11
física de una planta mezcladora y dispensadora
de
"121
@ON
Q)
OFF
ON
OFF HIL \'12 L V112, Y112: \'11L V21L nlZ, \"222, V31L nllo V312,
Nl\i
nn
VAL \'UI.A-SUSTANCL>'l-TANQUEl-vAL \'UI.A ENTRillA YAl \'UI.A- SUSTANCi'\.1-TANQUE2- \'.U "\1JI.~ ENTRADA V.UI'UI.A-SUSTANCL>'l-TANQUEI-YAL \''UI.A SALIDA vÁL VULA-SUSTANCL\1-T ..\NQUE2- \'AL VlfI....\ SALIDA v.U \c1JI."--SUSTANCL-\2-TANQUEl- V.U YUL~ ENTRWA V.U \'UI.A-SUSTANCL-\2-TANQUE2\',U \'UI.A ENTRWA \·.U \'\JL"·SUST.>.NCIAl-TANQUEl· YAL vm.A SAlIDA Y_U \'\JL"-SUST.>.NCL-\2-TANQUE2- V.U YULA SAlIDA V.U \'UI.A-SUST.>.NCL ••.. '-T.>.NQUEl. VAL \'\JL" ENTR"IlA VAL "\1JI.>'-SUSTANCL>.3- TANQUE2· v.U \,1JI.~ ENTRWA v.U \'\JL"--SUSTANCL"'T.>.NQUEl- VAL \'\JL"- SALIDA Y.U \'UI.A.SUS'r.>.NCL ••.. '-T.>.NQUE2- \'.U \'lJI.A SAlIDA
N1II, SENSOR DE NiVEl I-L<\:'ill\lO NE, SENSOR DE Ni\':EI. BAJO N(', SENSOR DE NiVEl CRITICO
I\'B
ON, INIlIC.WORDE VALI'lJI.AABIERTA OE:E, INDICADOR DE V.U \'UI.A CERRADA
NC
(JON
€)ON
OFF V112
Figura 5.101.
•
OFF
V122 Proyecto 18: Sistema de medida y llenado de sustancias
Está conformado por seis tanques, en donde cada pareja trabaja con una misma sustancia, así que uno de ellos se denomina tanque1 y el otro tanque 2 y es un tanque de reserva. Cada tanque tiene dos válvulas: una, la válvula de entrada, que permite la entrada de la sustancia, y la otra, es la válvula de salida. Posee tres sensores de nivel: El sensor de nivel máximo, sensor de nivel
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
273
Lógico Programable
bajo y el tercero, el sensor de nivel crítico. Tiene indicadores en rojo y verde para mostrar cuando las válvulas estén cerradas o abiertas. Al lado derecha del diagrama, se indica la nomenclatura utilizada. A continuación se ilustra tres procesos diferentes, los cuales deben ser programados con PLC.
18.1. Preparación de soluciones (1) Se van a preparar cinco soluciones diferentes obtenidas a partir de la combinación de tres sustancias: SI, S2, S3. En la siguiente tabla se muestran los contenidos de cada sustancia para obtener cada solución:
SOml 20ml 40ml 30ml 52 53 40ml 20ml 30ml lOml 51
En la obtención de cada solución, el orden en que se vierten las distintas sustancias es importante, para asegurar la calidad del producto final. Por ejemplo, cantidad:
para obtener la solución 1 se deben introducir
las sustancias en el siguiente orden y
Sustancia 1: 10ml de SI, 20ml de S3, 30ml de S2, 10ml de SI, 20ml de S2, 10ml de S3. La siguiente tabla ilustra el orden y cantidades de sustancias para cada solución: 51,sustancias 52, 53 20ml 10ml 51, 53, 52,y 30ml 20ml lOml 10ml 53, 51, 20ml 30ml 10ml 52, 53, 10ml 20ml 30ml 53, 51, 20ml 10ml 52, 51, 53, 10ml 53, 52, 53 10ml 52 51, 53 Orden contenido de las Solución 4 25 3 1
De cada solución se fabrican lotes de 5 frascos cada uno. En cuanto al llenado de las sustancias en cada tanque, para el control de líquidos utilizados se sigue el siguiente orden: Inicialmente
los seis tanques están desocupados.
Inicia simultáneamente
el llenado de los tanques pares: tanque 2 de SI, tanque 2 de S2 y tanque 2 de
S3 Una vez llenados estos tanques hasta el nivel superior, se procede a la combinación de las sustancias para obtener las distintas soluciones.
AUTOMATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
274
TEORÍA Y LABORATORIO
Controlador Lógico Programable
Cuando por consumo el contenido de cualquiera de los tanques llega al nivel inferior crítico, se cierra la válvula de salida correspondiente y el tanque impar de la sustancia que se agotó comienza su llenado hasta el nivel máximo. Cuando se llega a ese nivel, cierra la válvula de entrada y abre la válvula de salida de este tanque, continuando con el llenado para completar la solución en que se había interrum_ pido. Por ejemplo, suponer que se está obteniendo la Solución 1 y cuando se llevaba lOml de S2 de los 30ml necesarios, se agotó el tanque de S2, entonces se cierra la válvula de salida del tanque 2 de S2, abre la válvula de llenado del tanque 1 de S2 hasta que llega al nivel máximo, se cierra esta válvula y abre la válvula de salida del tanque para completar los 2ml de S2 que faltaban. Esta operación se repite para las otras sustancias Cada vez que se completa un frasco de cada solución se da una indicación visual; así mismo, cada vez que se completa un lote de cada solución se da otra alarma y cuando se completan los 5 lotes, se da una alarma sonora. Para que el programa quede menos manual, se programan todos los lotes y por tiempos automática_ mente va realizando el llenado de cada recipiente. Observar que el contenido de cada frasco con la solución debe ser igual, es decir todos deben tener contenido total de 100ml. Realizar el programa en PLC ABB y generar propuestas y sugerencias para hacer el proceso más interesante y más óptimo.
18.2. Preparación de soluciones (2) Se van a preparar cinco soluciones diferentes obtenidas a partir de la combinación de tres sustancias: Sl, S2, S3 En la siguiente tabla se muestran los contenidos de cada sustancia para obtener cada solución:
40ml 30ml 20ml 53 52 10ml 30ml 20ml 51
SOml
En la obtención de una solución, el orden en que se vierten las distintas sustancias es importante, asegurar la calidad del producto final. Por ejemplo, cantidad:
para obtener la solución 1 se deben introducir
las sustancias en el siguiente orden y
Sustancia 1: Simultáneamente
para
20ml Sl y 20ml S3; luego 20ml S2; luego simultáneamente
lOml S2 y 10ml S3.
La siguiente tabla ilustra el orden y cantidades de sustancias para cada solución:
275
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
Simul: 20ml Si 20ml 20ml S2, 20ml simul: 10ml y10ml lOml S3S3 10ml lOml S2 de ycada S3; 10ml sustancia; 3s reposo; 3s reposo; simul simul 20ml simul: 20mlS2; de S2 20ml S2 y S2 S3; y de S3; 3s cada lOml reposo; 20ml S3 S2 20ml Orden S2; y simul: contenido lOml de SiS3; las y sustancias lOml S3; simul: Sisustancia y 10ml Solución 4 2 3 1 5
De cada solución se fabrican lotes de 5 frascos cada uno. En cuanto al llenado de las sustancias en cada tanque, para el control de líquidos utilizados se sigue el siguiente orden: Inicialmente
los seis tanques están desocupados.
Inicia simultáneamente
el llenado de los tanques pares: tanque 2 de Si, tanque 2 de S2 y tanque 2 de
S3 Una vez llenados estos tanques hasta el nivel superior, se procede a la combinación de las sustancias para obtener las distintas soluciones. Cuando por consumo el contenido de cualquiera de los tanques llega al nivel medio la válvula de entrada del tanque impar permite que se llene, simultáneamente, el tanque par esta llenando recipiente de solución. Cuando el contenido del tanque par llega al nivel inferior crítico, se cierra su válvula de salida y abre la válvula de salida el tanque impar correspondiente a la sustancia que se agotó, continuando con el llenado del recipiente de la solución. En igual forma, cuando el tanque impar tiene nivel medio, se inicia llenado del tanque par y cuando el tanque impar llega a nivel mínimo, el tanque par continúa con el llenado de los frascos de solución. Esta operación se repite para las otras sustancias Cada vez que se completa un frasco de cada solución se da una indicación visual; así mismo, cada vez que se completa un lote de cada solución se da otra alarma y cuando se completan los 5 lotes, se da una alarma sonora. Para que el programa quede menos manual, se programan todos los lotes y por tiempos automática_ mente va realizando el llenado de cada recipiente. Observar que el contenido de cada frasco con la solución debe ser igual, es decir todos deben tener contenido total de 80ml. Realizar el programa en PLC ABB y generar propuestas y sugerencias para hacer el proceso más intere_ sante y más óptimo.
18.3.
Preparación de soluciones (3)
Se tienen tres sustancias diferentes y de cada sustancia se tienen dos concentraciones,
así:
Sustancia 1 tanque 1 es la sustancia concentrada y tanque 2 es la sustancia diluida, igual sucede con la sustancia 2 y la sustancia 3. Para efectos de simplificar se consideran las siguientes convenciones:
AUTOMATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
276
Controlador Lógico Programable
51, 52, 53 sustancias S1Tl S1T2 S2Tl S2T2 S3T1 S3T2
es la sustancia 1 concentrada es la sustancia 1 diluida sustancia 2 concentrada sustancia 2 diluida sustancia 2 concentrada sustancia 3 diluida.
Con esas sustancias se fabrican cinco tipos distintos de medicamentos:
Mi, M2, M3, M4 Y MS.
La cantidad y tipo de sustancia que contiene cada medicamento se resume en la siguiente tabla:
30ml S1T1 40ml Sustancia 20ml S3T1, S2T132 40ml 20ml S3T2 S2T2 30ml 30ml 10ml 20ml S1T1, 30mlS1T2 SIT2 S2T2 S3T1, 10ml 20ml 30ml 40ml S2T1, S3T2 S2T2 Sustancia 130ml
Para efectos de la combinación de las sustancias tener en cuenta que no se pueden mezclar dos sus_ tancias concentradas ni simultánea ni consecutivamente, las sustancias diluidas se pueden combinar en forma simultánea o consecutiva. Entonces lo recomendable es verter alternadamente las sustancias concentradas con las diluidas, pero no se puede combinar una concentrada y luego su diluida. Por ejemplo, para la medicina Mi se puede combinar en la siguiente forma: 30ml 51Tl, 40ml 53T2, 20ml 52Tl, 40ml 51T2, 20ml 53Tl. Para medicina M2: 20ml 51Tl, 20ml 52T2, 30ml 53Tl, 40ml 51T2, 40ml 53T2 Observar en las dos combinaciones propuestas que las sustancias concentradas y las diluidas van en forma alternada y que no hay consecutivamente una sustancia concentrada y una diluida del mismo tipo. Así para los otros medicamentos. En cuanto al llenado de los tanques, al iniciar se deben llenar todos los tanques con las sustancias concentradas y diluidas hasta el nivel máximo. Cuando por consumo cualquiera de los tanques llega al nivel mínimo crítico, se para el proceso, hasta que el tanque que se desocupó llene hasta el nivel máximo, continuando con la operación de llenado de frascos. Cada ciclo de producción la conforma un lote de cada medicamento y cada lote son cinco frascos Cada vez que se completa un frasco de cada medicina se da una indicación visual; así mismo, cada vez que se completa un lote de cada medicamento se da otra alarma y cuando se completan los 5 lotes, se da una alarma sonora. Para que el programa quede menos manual, se programan todos los lotes y por tiempos automática_ mente va realizando el llenado de cada recipiente.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
277
5. Controlador Lógico Programable
Observar que el contenido de cada frasco con la solución debe ser igual, es decir todos deben tener contenido total de 150m!. Realizar el programa en GRAFCET y/o texto estructurado hacer el proceso más interesante y más óptimo.
Proyecto 19.
y generar propuestas y sugerencias para
Taller con puestos de trabajo (1)
El proceso se ilustra en la Figura 5.102 Consiste en unas pistas que son recorridas por un AGV (Automated Guíded VeNde) y en diferentes partes de las pista se ubican puestos de trabajo que contiene distintos materiales (en total 8). Dispone de un panel con seis pulsadores (Pl a P6), con los que se establece trayectorias del móvil perfecta_ mente definidas. El punto de partida y de retorno siempre se hace a la zona indicada como M. En cada una de las zonas de trabajo, el móvil debe permanecer un tiempo determinado para asegurar que se deposite los materiales a transportar. Por ejemplo, si pulsa Pl el móvil parte de M, llega al puesto 4 y se detiene el tiempo programado, luego parte hacia la zona 1 y repite la secuencia, luego sigue a la zona 8, y así sucesivamente, a las zonas 2, 4 para finalizar en la zona M en donde se descarga. Es importante tener en cuenta en el diseño, que mientras el móvil no esté en la zona M, ninguno de los pulsadores tiene efecto, única_ mente cuando el móvil esté posicionado en la zona de descarga, los pulsadores pueden actuar. Diseñar el programa en GRAFCET y texto estructurado,
0
M41824M
P5 P611 P411
19: Desplazamiento
D
para satisfacer las rutas indicadas en la figura.
M42635M
TRAYECTORIA P2: 4 M M4281435M TRAYECTORIA Pl: TRAYECTORIA M436281 P3: ® ® TRAYECTORIA ® ® M71435M P4: M5362817M TRAYECTORIA P6: TRAYECTORIA P5:
de AGV por diferentes estaciones.
CD~
Proyecto 20. Taller con puestos de trabajo (2) El proceso 20 es semejante, en principio, al proceso 19, sólo que ahora, se deben establecer seis trayectorias distintas, con la condición que en un recorrido del móvil, ninguno de los puestos de traba_ jo se puede repetir y el móvil debe pasar mínimo por cuatro estaciones.
;.
..
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
278
5. Controlador Lógico Programable
I I
I
IIPl
i Ip2
P4fi1
P5
.
11@100®1 P3 P611
I
li1
I®
0
®
(})
CD
®
IDO Figura 5.103.
Proyecto 21.
Proyecto 20: Desplazamiento
de AGV por diferentes estaciones.
Taller con puestos de trabajo (3)
Desarrollar el proceso 19 pero previamente se deben programar las rutas de desplazamiento del móvil, de manera que automáticamente realiza las seis trayectorias. Cada vez que llegue a la posición M, una alarma se debe activar durante un tiempo mayor que el tiempo que tarda el móvil en cada estación. Cuando termine de recorrer las seis trayectorias, un indicador luminoso intermitente mostrará que se ha completado todo el programa.
Proyecto 22.
Taller con puestos de trabajo (4)
Tiene como base el diagrama del proceso 19. Se dispone de un programador de 8 pulsadores y el objetivo es que el móvil descargue material que se depositó en la zona M en tres zonas distintas, así: si se accionan los pulsadores 4, 3 Y 6, el móvil se desplaza a cada uno de esos puntos y se detiene en cada zona durante un tiempo determinado para asegurar la descarga del material. Cuando termina retorna a la zona de carga (zona M). Allí carga otra vez y se programa otra secuencia de tres zonas distintas. 22.1. Diseñe el proceso si el móvil selecciona las zonas programadas de menor a mayor, por ejemplo, si se programó descarga en las zonas 4, 1 Y 7, el móvil las selecciona automáticamente en el orden 1,4 y 7. 22.2. Diseñe el proceso si el móvil selecciona las zonas, de acuerdo al orden en que se programó, sin alterar, así que si se programa descarga en las zonas 4, 1, 7, ese sea el orden de descarga. 22.3.
Diseñe el proceso si el móvil selecciona las rutas más cortas.
Para cualquiera de los tres casos anotados, las estaciones por donde vaya pasando el móvil, deben quedar con una señal luminosa encendida y cuando el móvil llega a M, todas las señales se desactivan. En ningún caso, en la selección de las rutas, se debe pasar por la zona M, sólo cuando se terminan las rutas programadas, regresará a esta zona.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
279
5. Controlador Lógico Programable
Proyecto 23. Taller con puestos de trabajo (5) Tiene como base el diagrama del proceso 19, pero su funcionamiento es el siguiente: El móvil siempre está ubicado en M (se tiene una señal luminosa mientras el móvil esté parqueado allí). Cuando en alguna de las estaciones se tiene carga para transportar, allí se da una señal luminosa intermitente; entonces el móvil se debe desplazar a esa estación, permanecer el tiempo suficiente para la carga y devolverse a M. Cuando el móvil llega a la estación de pedido, la señal luminosa queda permanentemente encendida y luego que el móvil la abandona, se apaga. Por ejemplo, suponer que en la estación 7 se requiere el móvil, entonces en esa estación se activa una señal luminosa que permanece intermitente. El móvil se desplaza a esta estación; cuando llega, la señal permanece encendida y, luego de un determinado tiempo, cuando el móvil abandona la estación, la señallumino_ sa se apaga. Tener en cuenta que no puede haber pedido de más de una estación, es decir, si estando una estación activada, se activa otra estación, esta segunda estación no se tiene en cuenta.
Proyecto 24. Taller con puestos de trabajo (6) Considerar el diagrama del proceso 19, pero en cada estación se tiene tolvas que suministran distintas sustancias. Se va a traer material desde distintas tolvas hasta el punto M en donde se mezclan. Por ejemplo, se requiere material de las tolvas 5, 2 Y 7, entonces se programa de manera que estas tres tolvas quedan con una señalización intermitente, el AGV parte de M y se dirige hacia la tolva 5; cuando llega allí su indicador queda fijo, permanece un tiempo T mientras carga al móvil, el indicador se apaga y el AGV abandona la estación y se dirige hacia M; su indicador se enciende. Se descarga el material y el móvil ahora va a la estación 2 y repite la operación, lo mismo que con la estación 7. Al finalizar una señal sonora indica que los tres materiales ya están en el punto de mezcla M. 24.1. Programar para que el número de estaciones sea desde 1 hasta 4 y el móvil siga el orden programado. 24.2. Programar para que el número de estaciones sea siempre 3 y el móvil vaya en orden de estación más cercana a la más lejana (en número). Para el ejemplo, si se programó las estaciones 5, 2 Y 7, inicie en la estación 2, luego la estación 5 y por último a la estación 7. 24.3. Programar para que sea lo contrario de lo propuesto en el numeral 22.2., es decir que si se programó las estaciones 5, 2 Y 7, recoja primero en la estación 7, luego en la estación 5 y por último en la estación 2. 24.4. Considerar que la cantidad de material requerida en la zona de mezcla M de cada tolva es diferente; por ejemplo, suponga que se requiere 2 partes de material de la tolva 5, 4 partes de la tolva 2 y 1 parte de la tolva 7, entonces el tiempo de carga en cada estación va a depender de la cantidad de material requerido. Por tanto, el tiempo que permanece el AGV en cada estación es variable. Suponga que se puede programar desde 1 parte hasta máximo 5 partes. Programar el proceso de modo que el AGV permanezca el tiempo suficiente en cada estación de acuerdo a la cantidad requerida. Programe para que el móvil recoja en el orden de estación seleccionada. 24.5. Considerando el numeral anterior, programe para que el AGV recoja en la estación, de acuerdo a la cantidad de material, de mayor a menor cantidad, esto es, recoge en la estación en donde requiere la mayor cantidad de material y finaliza en la estación en donde se programó menor cantidad de material. 24.6. Respecto al numeral 22.4 programe para que el móvil recoja en la estación de acuerdo a la cantidad de menor a mayor, es decir, recoge primero en la estación de menor cantidad de material y por último en la estación de mayor cantidad.
AUTOMATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
280
Controlador Lógico Programable
24.7. Considere que de una mezcla particular se requiere gran cantidad, así que el AGV tiene que repetir varias veces el mismo recorrido. Programe para que el AGV repita el recorrido desde una vez hasta cinco veces para la condición dada en el numeral 22.4. 24.8
Repita la situación propuesta en 22.7., de acuerdo a la condición 22.5.
Proyecto 25. Taller con distintas células de trabajo (1): En una planta de manufactura con disposición de procesos, tiene la distribución células como indica la siguiente figura.
I I METAL MECÁNICA
1
--+--TI II--, +----L---l---t I
11
--+------------- -1-
11--i- ENSAMBLE I I1 1 TALLER 1 TALLER OFICINA TALLER 2EBANISTERÍA -1-I 3I I TALLER 4 MADERAS I BODEGA PLÁSTICOS INYECTORAS 1---I I I
Figura 5.104.
Proyecto 25: Taller tipo Job Shop y desplazamiento
de sus diferentes
I
de AGV por diferentes estaciones.
En la planta se pueden fabricar artículos metálicos, de madera, de plástico, como también productos que combinan estos materiales. La siguiente tabla detalla algunos de esos productos.
X X TALLER TALLER4 2 1 3 PRODUCTO X
.
P1
P2P6 P4
-
XX
X
-
P3
Como se observa en la tabla, cuando el producto es de un solo tipo de material, no necesita pasar por el taller de ensamble, mientras que si el producto combina diferentes materiales, se debe pasar por el taller de ensamble. El traslado de estos productos de hace con un vehículo AGV.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
5. Controlador Lógico Programable
281
Una vez terminado el producto o ensamblado, puede ser llevado a una bodega en donde se almacena, así que este artículo forma parte de inventario; pero también el producto se puede llevar a la zona de despacho, es decirl que el producto es inmediatamente llevado al consumo. Esta decisión, al igual que los artículos a fabricar se toma y programa en la oficina. El móvil que transporta los artículos siempre está ubicado en el punto M, en donde está en espera de las órdenes de desplazamiento y recarga de sus baterías. La primera parte del problema es referente al transporte de productos. Suponer que el producto que se fabricó es P1 y se debe llevar a la zona de despacho, entonces se activa una señal luminosa intermitente en el taller 1, el móvil inicia su movimiento hacia allí, entra al taller 1, permanece allí mientras recoge los productos terminados; durante este tiempo la señal luminosa queda fija, luego sale y sigue el recorrido hacia el despacho. No debe pasar por el taller de ensamble. Luego retorna al punto M. Cuando el móvil abandona el taller 1, la señal luminosa allí se apaga. Para efectos de control, el móvil debe indicar continuamente en que zonas se encuentra. Igual secuencia realiza para los productos P2 y P3; el único cambio es a la zona en donde se deben llevar los productos finalmente. Suponer que el producto que se fabrica es P4 y se debe llevar a la zona de bodega, así que en los talleres correspondientes se encienden los indicadores luminosos intermitentes. El recorrido que sigue el móvil es: parte de M (el indicador luminoso de M se apaga), se desplaza al taller 1, allí la señal luminosa permanece encendida el tiempo necesario para que el móvil recoja los subproductos elaborados. Abandona el taller 1 (se apaga la señal luminosa) y sigue hacia el taller 4 de ensamble (el indicador luminoso allí queda encendido permanentemente). Después de un tiempo que tarda en descargar, abandona el taller 4 (el indicador luminoso queda encendido) y se desplaza al taller 2, el indicador luminoso de ese taller queda encendido sin intermitencia; tarda el tiempo necesario para recoger los subproductos, luego abandona el taller 21 y se apaga el indicador de ese taller. El móvil se desplaza nuevamente al taller 4, tardo el tiempo requerido para descargar, luego abandona este taller para dirigirse hacia su punto M. Mientras tanto el taller 4 queda con su indicador luminoso intermitente, indicando que está en el proceso de ensamble. Cuando termina, su indicador queda fijo y se da la orden para que el móvil se desplace hacia este taller; luego de cargar los productos finales, el móvil abandona el taller 4, el indicador luminoso del taller se apaga, el móvil se desplaza a la zona de depósito, el indicador luminoso del depósito queda fijo el tiempo que el móvil permanece descargando. Cuando terminal el móvil abandona el depósito (su indicador se apaga) de desplaza al punto de partida M, en espera de una nueva orden. Mientras no se complete el producto y se deje en la zona de bodega o despacho, el móvil no aceptará otra orden; por ejemplo, para el caso anterior, si está en espera de recoger los productos en el taller 4 y llega una llamada de cualquier otro taller, el móvil no responderá. Elaborar el programa en PLC que cumpla con el proceso anotado. Cualquier sugerencia para mejorar u optimizar el proceso, anotarla, explicándola con detalle. Si en la explicación se presentan confusiones en la interpretación, asumir lo que crea conveniente .
. Proyecto
26. Taller con distintas células de trabajo (2):
Considere el proceso 25, pero el AGV tiene que repetir el ciclo desde una vez hasta 5 veces. Cada vez que completa un ciclo, se da una señal de indicación y cuando completa todos los ciclos programados se da una señal sonora.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
282
TEORÍA Y LABORATORIO
5. Controlador Lógico Programable Proyecto 27. Taller con distintas células de trabajo (3): Considere el proceso 25, pero la fabricación de productos se hace de acuerdo a la demanda del cliente o para efectos de inventario, es decir, se pueden fabricar distintos productos, siempre que contengan los materiales que puede procesar el taller. Además, se puede programar desde una pieza hasta 10 piezas, del mismo producto. Efectuar el programa bajo este nuevo enfoque del proceso. Ya que la fabricación depende de la materia prima disponible en cada taller, incluir un indicador que muestre si el taller tiene o no material.
Proyecto 28. El siguiente diagrama es la carta de estado que representa algún proceso industrial en donde se tienen cuatro estaciones de trabajo eA, B, C, O) y el paso entre estaciones está regido por órdenes indicadas como 51,52, ..., 510. Como se observa, Al dar la orden 51, el proceso inicia pasando a la estación A; Luego, de allí puede pasar a la estación S si da la orden 52 o a la estación C si da la orden 54. Si está en la estación C, puede pasar de allí a la estación A o D, dependiendo si la orden es SS o 56. Estando en D, puede pasar a la estación A o finalizar el proceso si la orden es 59 o 510, respectivamente.
S4
Si
~
'"
Figura 5.105.
Proyecto 28: carta de estados que representa algún proceso industrial.
28.1. Diseñar el programa para que en un ciclo, se tenga que pasar 2 veces por la estación A, 3 veces por la estación S, 3 veces por la estación C y 2 veces por la estación D para luego finalizar. No importa el orden que siga. Sólo debe iniciar una vez y terminar una vez. 28.2. Diseñe el programa de manera que estando en una estación se tenga que desplazar a otra estación, teniendo que pasar por otros puntos. Por ejemplo, estando en la estación A, tiene que ir a la estación D, luego tiene que hacer el recorrido: ASD o ACD. Si está en la estación C y tiene que ir a la estación S, entonces tiene que hacer el recorrido: CAS o CDAS, etc.
29.
Como proyecto se propone el diseño y construcción de un pequeño PLC basado en un microcontrolador, que posea mínimo cuatro entradas digitales y cuatro salidas, terminadas en relés de estado sólido, una entrada análoga y una salida análoga para manejar sensor térmico, o algún otro sensor de características análogas. Desarrollar el software en alguno de los lenguajes, para efectuar la programación.
Fin laboratorio 3
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
283
5. Controlador Lógico Programable
5.11 ..
Guía GEMMA
Hasta el momento se han desarrollado procesos en donde su estruc_ tura se basa en el funcionamiento de acuerdo a las especificaciones. Pero no se han tenido en cuenta una serie de aspectos importantes, además del funcionamiento nor_ mal; aspectos como tareas de seguridad, puesta en funcionamiento, mantenimiento, test, autodiagnóstico, alarmas, operación manual-automática o semiautomática. Esto significa que se debe mirar el proyecto de una manera más global y estructurar los diseños con todos los aspectos anotados como se muestra en la figura 5.106.
MODELO
GLOBAL
DEL SISTEh·L4.
GRAFCETDE PRODUCCIÓN
Mo~t ~
ENIRADAS CONTROL SUJ>ERVIS¡ÓN
Figura
5.106.
SALIDAS
Modelo global en la automatización
- En un proceso productivo, las máquinas no están siempre funcionando en modo auto mático, pueden surgir problemas que, por ejemplo, conlleven a una parada inmediata de la máquina o proceso. En la automatización de una máquina es necesario prever todos los estados posibles: funcionamiento manual o semiautomático, paradas de emergencia, puesta en mar_ cha, ... y, además, el propio automatismo debe ser capaz para de detectar defectos en la parte operativa y colaborar con el operario o técnico de mantenimiento para su puesta en marcha y reparación, entre otras. .-
La agencia ADEPA (Agence nationale pour le Developpement de la Production Appliquée a l'indus_ me) desarrolló la guía GEMMA (GEMMA:' Guide d'Etudes des Modes de Marches et d'Arrets) Guía de Estudios de Modos de Marcha y parada. Es un método muy eficaz para sistematizar los estados posibles que presentar un sistema a automatizar y las transiciones para pasar de no a otro estado. Los más importantes son los procesos de: paradar funcionamiento Y defecto.
La a omatización de máquinas y procesos industriales debe contemplar todos los si les estados en los que se puede encontrar una máquina o proceso. No solamen_
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO S. Controlador
284
Lógicc;>Programable
te se debe contemplar en el programa el simple funcionamiento normal automático, sino que se deben considerar también las situaciones de fallo, de parada de emer_ gencia, los procesos de rearme y puesta en marcha de la máquina, las marchas de test, el control manual, etc. La figura 5.107 ilustra la estructura general de la guía GEMMA.
Control sin alimentar
A - Procedimientos de parada
)elll?Jlt
F- Proceso en funcionamiento
ern..a:"("ha
~ emanda ~_._-_ _._
, _.._..__. ..~.Jn~rQ_.__._.._-_.._..-.._._ _ -............. _.._
_-. .._.._
1
I I
l__ .___ .._._ -----.--.-. +------
Producción
-_
.._ .._.
__ ....'
elección
D - Proceso en defecto
Figura 5.107.
€'fecios
Estructura general de la guía GEMMA
La primera idea asociada a la guía GEMMA que conviene matizar es que se trata de un enfoque de diseño estructurado. Ante la complejidad de los factores que intervienen en la automatización de procesos, es conveniente utilizar el diseño estructurado con el fin de modelar, de forma parcial, las tareas. En el diseño estructurado de un sistema automatizado, aparecen tres módulos: • •
Módulo de seguridad Módulo de modos de marcha
•
Módulo de producción
La representación de la guía GEMMA tiene en cuenta la presencia de estos módulos, junto con las relaciones internas existentes entre módulos. La jerarquía ilustrada en la figura 5.107 pretende intensificar la atención en el aspecto de seguridad de los siste_ mas automatizados en entornas productivos, como por ejemplo, en situaciones de emergencia, en situaciones de fallos de dispositivos, o en situaciones de producción defectuosa, de forma que, ante estas contingencias, el módulo de seguridad es priorita_ rio respecto a los otros módulos. En segundo lugar, es notoria la intervención del operario como parte integrante del sistema, pues aporta experiencia en el cambio de modo automático a modo manual cuando la situación del proceso lo requiere. Es decir, el control global del proceso puede darse intermitentemente entre control automático y control manual. En tercer lugar, aparece el módulo de producción, que se entiende que está supeditado a los módulos '.'r-.,-
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO S. Controlador Lógico Programable
285
precedentes y en el que se tiene el funcionamiento de ejecución secuencial de activa_ ción y desactivación de estados mediante la lectura lógica de las transiciones. Analizando estos módulos de forma inversa/ la guía GEMMA pretende conservar la metodología de modelado GRAFCET pero teniendo en cuenta que en el diseño estruc_ turado de un sistema automatizado coexisten diversos GRAFCET parciales, los cuales hay que relacionar y jerarquizar convenientemente. Así, en el módulo de producción se concibe el organigrama de control básico en condi_ ciones idóneas de funcionamiento, organigrama que se conoce como el GRAFCET de producción o GRAFCET de base; en el módulo de modos de marcha, el operario vigila el GRAFCET de producción y puede llegar a intervenir, si la situación lo requiere, mediante el cambio de control automático a manual (o viceversa, para reestablecer la situa_ ción), estado del organigrama que se conoce como GRAFCET de conducción; finalmente, en el módulo de seguridad se procede al tratamiento de emergencias, fallos y defec_ tos, con la posibilidad, por ejemplo, que se realicen paradas de emergencias sobre el sistema, con las convenientes fases de solución de problemas y reconfiguración, para volver a la condición de reinicio de la marcha y producción. En este último módulo, el organigrama se conoce como GRAFCET de seguridad. La representación de la guía GEMMA permite enlazar dichos modelos mediante la . secuencialización de estados y transiciones. Internamente, ello se traduce en la utilización de las reglas de forzado y las reglas de evolución del GRAFCET. Uno de los objetivos principales de la guía GEMMA es la utilización de una metodología sistemática y estructurada que ofrezca a los expertos en automatización, información precisa del sistema; de ahí que habitualmente se presente en el formato de la des_ cripción completa de todos los posibles estados que puede llegar a tener el sistema. Al ser la guía GEMMA una metodología que incorpora el módulo de seguridad, así como la.vigilancia del operario sobre el módulo de producción, se acerca a las carac_ terísticas fundamentales presentes en las referencias bibliográficas que tratan el tema .de supervisión de procesos. Así pues, la relevancia de la guía GEMMA radica en que promueve claramente la· integración entre dos áreas de conocimiento complementa_ rias como la supervisión y la automatización.
5.11.1.
Metodología
Entonces la guía GEMMA se sitúa en un marco metodológico genérico, que consta de las fases siguientes y que el diseñador y operario debe realizar: •
Automatización
• •
Supervisión Interacción
• •
Implementación Pruebas
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
286
5. Controlador Lógico Programable
En el caso de llevar a la práctica un proyecto de automatización, es necesario seguir las fases de la metodología presentada, así como indicar el operario o grupo de ellos encargados de llevar a cabo las fases por separado o el conjunto de ellas. Lo propu_ esto en este documento puede servir para especificar el contexto en el que la guía GEMMA debe desarrollarse. La figura 5.108 ilustra la secuencia ordenada de fases. Es decir, si la metodología quiere llevarse a la práctica hay que seguir paso a paso el método de forma secuen_ cial. Cabe destacar el rol del operario en este esquema. El operario lleva a cabo cada fase; hace la transición entre una· fase y la siguiente, y, finalmente, se encarga de proceder a una iteración para rehacer el primer ciclo introduciendo mejoras .
~~II~ Figura 5.108.
..
...
_.
-
-DI
Metodología de las fases para la aplicación de la guía GEMMA
Las fases que aparecen en el marco metodológico no son conceptos puntuales; cada uno de ellos puede tratarse en profundidad. A continuación, se presenta tan sólo un breve resumen de cada una de las fases, ya que lo que se quiere constatar es la rela_ ción entre las fases y los aspectos dinámicos intrínsecos de cada fase.
Automatización En esta fase elemental hay que desarrollar puesta en marcha de automatismos: • • • •
los pasos siguientes relacionados con el GRAFCET y la
Observación del proceso a controlar y generación del GRAFCETde primer nivel en su descripción funcional. Seleccióndel automatismo (autómata programable, regulador digital autónomo). Sel~ión y cableado físico de sensores y actuadores, con las seccionesde entradas y salidas del automatismo. Generación del GRAFCETde segundo nivel en su descripción tecnológica.
En estas líneas, la fase de automatización coincide con todas las propuestas que hacen las referencias bibliográficas básicas de automatización y controladores programables. En la fase de automatización aparecen diversas tecnologías, entre ellas la sensórica y la hidráulica-neumática, supeditadas a su conexión física con el automatismo (PLC, por ejemplo). La representación del control secuencial sobre el proceso se representa mediante GRAFCET. A partir de estas líneas, el GRAFCET generado pasa a denominarse GRAFCET de producción, en asociación con el módulo de producción.
fi\
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
287
5. Controlador Lógico Programable Una vez la fase de automatización ya está consolidada, hay que establecer la fase de supervisión.
Supervisión A continuación, en esta segunda fase, hay que desarrollar los pasos siguientes: • Se reúne el máximo de especificacionesa priori sobre los estados posibles en las que se puede encontrar una máquina o un proceso, según la experiencia encargado de la automatización o según las peticiones del cliente. • Definir los módulos a utilizar según la complejidad del problema (seguridad, modos de marcha, Pf~o;ión) representar gráficamente el caso de estudio mediante los estados y las transiciones de la guía GEMMA.. '
y
• Para cada módulo, hay que generar un GRAFCETparcial. Cabe destacar que en el caso de producción, el GRAFCETde producción ya se ha generado en la fase de automatización, de manera que lo que hay que estable_ cer aquí es la relación con el resto de módulos. En el caso del módulo de modos de marcha el GRAFCETde conducción promueve la activación y desactivación del módulo de producción, que normalmente presenta un desarrollo secuencial cíclico. Finalmente, mediante el módulo de seguridad, el GRAFCETde seguridad pertinente vigila los dos módulos anteriores ante la posible aparición de fallos o situaciones de emergencia en el sistema automatizado. • Los GRAFCETparciales se integran de forma modular y estructurada en un solo GRAFCETgeneral que contemple todos los módulos enunciados en función de la complejidad del problema, mediante las reglas de forzado y las reglas de evolución. • El operario procede a la supervisión cuando está vigilando la evolución del proceso controlado automática_ mente y está atento a la presencia de posibles imprevistos que merezcan activar el módulo de seguridad e intervenir directamente en el mismo. Una vez la fase de supervisión ya está consolidada, hay que establecer la fase de interacción.
Interacción En la interacción entre la supervisión humana llevada a cabo por el operario y el proceso controlado por parte del automatismo, hay que concretar la intervención del operario mediante el diseño del panel de mando en función de las acciones físicas sobre dispositivos y la recepción de señales informativas visuales o acústicas. Los dispositivos concretos a utilizar dependen de los módulos definidos en la fase denominada supervisión. En cualquier caso, se presenta una disposición básica de dispositivos en el panel de la figura 5.109. Para el diseño del panel de mando se utilizan conceptos que aparecen en la normativa de seguridad en máquinas, así como especificaciones ergonómicas y el conjunto de situaciones a tratar mediante la guía GEMMA. En función de la complejidad del problema, el operario debe conocer qué dispositivos necesita y si el panel es el adecuado o conviene hacer mejoras. En automatización industrial, existe una gran diversidad de dispositivos, que se engloban en lo que se conoce como interfaz humano-máquina (HMI: human-machine interface) de manera que aquí no se pretende abordar el tema detalladamente sino tan sólo ofrecer un panel de mando apto para su uso con la guía GEMMA. La comprensión de la fase de interacción es vital para que el usuario pueda clasificar las diversas situaciones que se dan en el sistema automatizado y procesar la información e intervenir con coherencia. El panel de mando está formado por un conjunto de dispositivos informativos visuales situados en la parte superior del panel, y por un conjunto de controladores situados en la parte inferior del panel. Este panel puede situarse físicamente en una zona cercana a máquinas. Si es necesario, también puede complementarse con individual de actuado res, aunque para su utilización en sistemas puede acceder a los actuadores directamente sobre las electro miento manual.
los controladores y a la planta y/o' paneles auxiliares de accionamiento electro neumáticos, por ejemplo, se válvulas que dispongan de acciona_
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
288
Controlador Lógico Programable
".
ServicJo
Sele-ctor
Figura 5.109.
Modelo del panel de comando propuesto por la guía GEMMA
Otra posibilidad de auge reciente radica en diseñar dispositivos (tanto informativos como controlado_ res)¡ mediante librerías de instrumentación virtual¡ de forma que los objetos gráficos forman parte de terminales programables alfanuméricos¡ monitores táctiles u ordenadores industriales. Una vez realizadas las fases de automatización¡ supervisión e interacción y antes de seguir con el resto de fases¡ el operario puede rehacer convenientemente cada una de ellas a medida que aumenta el conocimiento experto del funcionamiento del sistema. A continuación¡ se procede a las fases de imple_ mentación y pruebas.
lmplementación Sin duda¡ ésta es la parte más práctica del método. Son sus pasos más significativos: • •
Selección del lenguaje de programación del automatismo. Traducción de GRAFCET a lenguaje de programación.
Esta fase requiere las habilidades prácticas del operario en la programación de automatismos. Respecto a la traducción de GRAFCET a lenguaje de programación de PLCs (como¡ por ejemplo¡ el esquema de contactos)¡ algunos usuarios utilizan el GRAFCET de tercer nivel en su descripción opera_ tiva. Otros usuarios prefieren pasar directamente el GRAFCET de segundo nivel¡ en su descripción tecnológica¡ al formato de esquema de contactos. Existe otra posibilidad¡ que es la formulación de las etapas y transiciones del GRAFCET en la forma de biestables SIR (S set, R resel) Cabe destacar que el usuario debe respetar las singularidades observadas¡ ya que cada casa comercial genera su lenguaje de programación conforme a unas normas propias de diseño¡ de manera que lo que se quiere recalcar de forma genérica es que la representación formal de la guía GEMMA ha de implementarse adecuadamente en el autómata programable correspondiente. Una vez la fase de implementación está consolidada¡ hay que establecer la fase de pruebas.
Pruebas Una vez implementado el algoritmo general sobre el automatismo¡ el operario puede verificar dicho algoritmo por partes; vigilar la evolución del proceso o interactuar con el proceso controlado mediante
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
289
el panel de mando, e incluso puede emular situaciones de emergencia para analizar cómo responde el sistema automatizado ante la implantación de la guía GEMMA. Frente a situaciones problemáticas, el operario puede depurar los algoritmos parciales, o añadir más estados que inicialmente no se habían tomado en consideración y rehacer el algoritmo general. Evidentemente, para afrontar problemas complejos se recomienda dividir el problema en módulos fun_ cionales básicos y así poder rehacer el algoritmo de forma metódica sólo en las partes a rehacer. Conviene tener muy clara la identificación del aspecto a resolver y clasificar, si es posible, a qué fase corresponde. La comprensión del método genérico que se acaba de exponer pasa por la amplia experiencia en el sector industrial de la automatización y claramente por la puesta en práctica de las ideas aquí expuestas. Centrando el tema de nuevo en la guía GEMMA, es conveniente no perder de vista las fases de supervisión e interacción, ya que se considera que la fase de automatización ya está realizada previa_ mente, mientras que las fases de implementación y pruebas pertenecen al dominio práctico del puesto de trabajo. Así, el operario encargado de llevar a cabo la puesta a punto de la guía GEMMA tiene una tarea interna más restrictiva. Si hace frente a un problema complejo, lo dividirá y afrontará de forma modular y de forma iterativa irá completando el análisis hasta obtener una guía adaptada al problema en cuestión. Para mostrar en detalle las tareas de este operario la figura 5.110 se acerca a los diagramas caracte_ rísticos que aparecen en las referencias bibliográficas sobre supervisión.
: Supervisión
I
Operario
:-------~-~--: '-----.., ~ ,:-;;-U-I I 1 ---•..•
Transición
r-D-'
..•.~
:
PANEL
I 1
~
I
I
~NOO
/nleracc;on
I
~~-D--J I
-=- -=- -=- -;.~
I I
I I II
I
~~I===> I
~
..•.
5.110.
I
I
: Automallz_dón
Figura
Información
I
DE
PROCESO
I
.., [-----1
~
: J
".-
.....•
Tareas del operario de acuerdo a las fases de la guía GEMMA.
El operario vigila el proceso controlado y puede decidir intervenir en el momento oportuno mediante la actividad sobre el panel de mando; la tarea del operario se complementa con su acceso al proceso para resolver in situ'problemas de la producción. El detalle en convencional, especificación ción concreto,
que se explica la puesta a punto de la guía GEMMA pasa por la representación gráfica el· diseño del panel de mando en función del tipo de intervención humana y la del control secuencial mediante GRAFCET (sin entrar a analizar el lenguaje de programa_ que formaría parte ya de la fase de implementación).
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
290
5. Controlador Lógico Programable
5.11.2.
Representación Gráfica Convencional
La representación estándar de la guía GEMMA superpone dos diagramas. El primer diagrama es conceptual y representa algunas situaciones en forma de rectán_ gulos grises. La guía GEMMA distingue cinco situaciones relevantes: • • • • •
PZ: Existencia o no de energía de alimentación Tres familias de modos de marchas y paradas A: Procedimientos de parada. F: Procedimientos de funcionamiento. D: Procedimientos de fallo.
•
Producción de piezas o material continuo.
sobre el global operario-automatismo-proceso.
Las siglas corresponden a la notación original de la guía en francés. La figura 5.111 ilustra las cinco situaciones sobre una representación bidimensional.
Cortrol sin ,.. alimenlar
Figura
5.111.
Representación
gráfica de las etapas de la guía GEMMA
A la izquierda, tenemos el rectángulo asociado al control con/sin alimentación y que tiene la función de alimentación eléctrica del sistema automatizado. Este concepto viene impuesto originalmente por las normas de seguridad consideradas en la concepción de la guía, e ilustra el caso en que, sin alimentación, el accionamiento de los pulsa_ dores de marcha y paro no provoca acción, así como ante una falta de alimentación el automatismo deja de ejercer control automático. A continuación, se añade el rectángulo conocido por la etiqueta genérica A (procedimientos de parada), cuya función principal es la de reconocer los posibles estados de reposo del sistema. A la derecha,
IF-
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
291
5. Controlador Lógico Programable
se dispone el rectángulo asociado al funcionamiento, que se conoce por la etiqueta F (procedimientos de funcionamiento) y engloba no tan sólo el funcionamiento normal automático sino el funcionamiento de verificación y pruebas por parte del operario. Finalmente, se añade en la parte inferior el rectángulo asociado a D (procedimientos de fa/lo), pues se entiende que estos procedimientos engloban la presencia de defectos en el producto, la presencia de fallos de los dispositivos (actuadores, sensores) y el tratamiento de situaciones de emergencia. Sobre este esquema se añade un quinto rectángulo denominado producción y dibujado normalmente en forma de doble línea discontinua. La figura 5.111 ilustra que el rectán_ gulo asociado a Producción presenta intersección con los rectángulos que ilustran las familias de procedimientos A, F Y D, ello indica que la guía GEMMA diferencia situa_ ciones en las que no se está produciendo producto alguno (operaciones de verificación, mantenimiento,
emergencia).
La figura 5.112 es semejante al gráfico anterior, pero se muestran distintas interco_ nexiones entre las distintas etapas de la guía GEMMA.
Figura
5.112.
Interconexiones
entre las distintas etapas de la guía GEMMA
En condiciones normales, existe la transición desde los procedimientos A hacia los procedimientos F, y viceversa, si se desea finalizar la tarea. En condiciones anómalas, la situación es más compleja, ya que de los procedimientos F se pasa a los procedL mientos D y, para volver a reiniciar y reestablecer el funcionamiento en condiciones normales, hay que pasar a los procedimientos A. Aunque estas apreciaciones parez_ can simples, indican cómo la guía GEMMA intenta planificar de forma determinista el funcionamiento del proceso, el control del mismo y la presencia de posibles contin_ gencias.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
292
Lógico Programable
El diagrama de la figura 5.112 de la guía GEMMA muestra con más detallada cada familia pz¡ A¡ F o D en sus estados o modos y distintas conexiones entre ellas, con la finalidad de mostrar cómo la guía GEMMA puede adaptarse a un gran número de situaciones y problemas. En este punto, es necesario definir la lista de modos.
pz· Procedimientos del control fuera de servicio PZ1: Puesta del control sin energía Cuando el automatismo se queda sin energía¡ este estado se ocupa de los procedimientos a realizar para garantizar la seguridad. Las condiciones para acceder a este estado son a partir de cualquier estado¡ voluntariamente o accidentalmente. La situación voluntaria solo debería darse cuando el siste_ ma se encuentra en el estado Al¡ en PZ2 o en PZ3. Las acciones que hay que llevar a cabo en este estado consisten básicamente en terminar los movL mientos en curso¡ bloquear mecánicamente las cargas suspendidas o dejar sin alimentación la parte operativa (si no lo estaba ya).
Grupo F: Procedimientos de funcionamiento
~.
Designa los diferentes estados en los procesos de producción y obtención de produc_ tos. El proceso de producción está formado por los modelos de funcionamiento nor_ mal (Fl a F3) y los de test y verificación (F4 a F6).
• Fl: Producción
normal
Representa el GRAFCET que realiza la producción normal de la máquina. Es el estado más importante¡ va representado por un rectángulo de paredes más gruesas que los demás. El estado de producción normal suele ser en funcionamiento automático¡ por lo cual el GRAFCET asociado se le denomina GRAFCET de producción normal automática. En su interior¡ se encuentra el algoritmo básico¡ expresa_ do habitualmente como GRAFCET de producción o GRAFCET de base.
• F2: Marcha de preparación Son las acciones previas a la producción normal o automática como por ejemplo el calentamiento los hornos¡ calibraciones¡ Preparación de herramientas¡ etc.
de
• F3: Marcha de cierre Corresponde a la fase de vaciado y/o limpieza que muchas máquinas deben llevar a cabo antes de parar o de cambiar alguna característica del productor enfriamientos¡ cambos de herramientas¡ etc. Los modos Fl¡ F2 Y F3 engloban el funcionamiento normal de algunas máquinas o procesos contro_ lados. Como complemento a estos modos¡ los modos F4¡ F5 Y F6 ilustran la necesidad de verificar algunos subprocesos por parte del operario:
• F4: Marchas de verificación sin orden El operario siempre dentro de las condiciones de seguridad¡ puede mover los accionadores. De esta forma podrá posicionar la máquina en el estado que quiera y podrá ver su correcto funcionamiento. Se utiliza para funciones de mantenimiento y verificación (usualmente, en vacío). Es asimilable a la inter_ vención del operario en la forma de control manual.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
293
5. Controlador Lógico Programable
• F5: Marcha de verificación con orden El operario selecciona el ritmo deseado y la máquina realiza un ciclo completo de funcionamiento. Se utiliza para funciones de mantenimiento y verificación. En este estado la máquina puede producir. Es asimilable al control semiautomático y en aquellas fases de implementación y pruebas en las que el operario supervisa directamente y valida cada uno de los pasos. En este estado el autómata deberá seguir trabajando a pesar de que no trabaje correctamente por ejemplo la pieza que está dañada está siendo sustituida por algún operario.
ya que
• F6: Marcha de test Permite realizar las operaciones de ajuste y de mantenimiento preventivo, es decir, comprueba el buen funcionamiento de los accionadores y captadores de la máquina, buen funcionamiento de sensores, reajuste por desgaste, etc.
Grupo A: Procedimientos de paro Este grupo contiene todos los modos de funcionamiento en los que el sistema está parado (Al y A4), los que llevan a dicha parada (A2 y A3) Y los que permiten pasar de un estado de defecto a un estado de parada para volver a poner en marcha el siste_ ma (AS a A7). Estos procesos se ejecutan normalmente a petición del operador y cuando se arranca para efectuar un posicionamiento inicial.
• Al: Parada
en el estado inicial
Es el estado inicial del GRAFCET. La máquina está en reposo. Por ser la etapa inicial, se suele repre_ sentar con un cuadro de doble trazo.
• A2: Petición de paro al final de ciclo Después de solicitar la parada, el autómata que estaba produciendo de manera normal cuando llega al final del ciclo se para y se detiene en el estado inicial. Al no solicitar este paro, no se produce interrupción trata de un estado transitorio hacia Al.
alguna y el ciclo se repite automáticamente.
Se
Tanto en la producción de piezas discretas como en la producción de material continuo, hay que establecer el inicio y el fin de ciclo; de ahí la importancia de los modos Al y A2. Cuando la producción es continua y no es necesario finalizar el ciclo que se desarrolla en F1 sino repetirlo indefinidamente, el modo A2 no es relevante. Por otro lado, en algunas ocasiones se puede proceder a una parada, sin que sea necesariamente la de inicio, por lo que se desea una parada intermedia para luego reanudar el ciclo allí donde se había detenido.
• A3: Petición de paro en un estado determinado Es una parada solicitada por el operario para que la máquina se pare en un estado determinado, diferente al inicial. Se trata de un estado transitorio hacia A4.
• A4: Paroobtenido Es un estado de paro en un estado intermedio del ciclo de la máquina distinto del estado inicial. Según la máquina, pueden implementarse varios estados diferentes de paradas, por lo tanto, existirán tantos mandos en el panel de control como necesite el operador para realizar las peticiones.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
294
5. Controlador Lógico Programable Una vez comentados los modos Al, A2 Y A3, los modos de la familia de procedimientos de parada deben completarse con los modos AS, A6 Y Al, que son necesarios si se ha producido una situación que requiere la activación del modelo de seguridad.
• AS: Preparación para puesta en marcha después de defecto En este después trata de pulsador
estado, deben efectuarse las operaciones necesarias para una nueva puesta en marcha de un fallo/defecto o parado de emergencia (vaciado, limpieza, reposición de producto, etc.). Se reconfigurar el sistema y, una vez concluida la preparación, habitualmente se asocia a un con la finalidad de rearme.
• A6: Puesta del sistema en e/ estado inicial La máquina es puesta por el autómata de una forma automática en el estado inicial, que normalmente corresponde a una posición de reposo. Operaciones necesarias para llevar el sistema al estado inicial desde situaciones diferentes a la de pro_ ducción: manual, parada de emergencia, etc. El resultado final es Al.
• A7: Puesta del sistema en un estado determinado Se realiza cuando el operario decide poner la máquina en un estado concreto diferente a la inicial. Este tipo de paradas se realiza cuando se ha efectuado una parada de emergencia. Operaciones necesarias para llevar el sistema, que no está en producción, inicial para su puesta en marcha. El resultado final es A4.
a un estado distinto del
Subsanadas todas las posibles contingencias, los modos A6 y Al son consecutivos si se desea volver al inicio, mientras que los modos Al y A4 son consecutivos si se desea reemprender el ciclo en estados intermedios.
Grupo D: Procedimientos de defecto Engloba los procesos de fallo, activados por un fallo propio de la máquina o también a petición del operador al pulsar la zeta de emergencia. Existen diferentes modos: defecto si está produciendo (03), si está detenido (01) o si está en fase de diagnóstL co o tratamiento de defecto (02). • Di: Paro de emergencia En este estado se debe llevar la máquina a una situación segura tanto para el operario como para el producto. Esta situación implica normalmente la parada de los accionadores. Una vez superada esta situación el autómata deberá proseguir sus acciones por lo tanto conviene memorizar el estado ante_ rior al paro de emergencia.
• D2: Diagnóstico y/o tratamiento de los defectos Permite determinar y eliminar las causas del defecto. Diagnóstico de fallos/defectos y/o tratamiento de fallos/defectos Acciones a ejecutar para determinar el origen del fallo o el origen del defecto. Pueden realizarse con la ayuda del operario.
• D3: Producción a pesar de los defectos Corresponde a casos en que se debe continuar produciendo a pesar del defecto (en una cadena de producción: sustituir transitoriamente parte del trabajo por el de un operario).
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
295
5. Controlador Lógico Programable
Cuando se accede a D2 a partir del modo D1, se está considerando la presencia de un fallo que conviene tratar de forma inmediata. Cuando se accede a D2 a partir del modo D3, se está conside_ rando la presencia de un defecto como una contingencia a resolver cuando finaliza el ciclo actual; de ahí que se acceda posteriormente a los procedimientos de parada. Detalladas cada una de las fases de la guía GEMMA, es importante distinguir entre fallo y defecto, pues se entiende que se trata de diversas degradaciones del funcionamiento normal y es prioritario en la guía GEMMA el tratamiento de fallos frente al tratamiento de defectos. Una vez explicitado el conjunto de 16 modos de las familias F, A Y D, la representación gráfica convencional de la guía GEMMA consiste en la representación superpuesta de los dos diagramas mencionados. Falta añadir el conjunto de transiciones entre estados, que permite entender la repre_ sentación gráfica a modo de ciclo en el que se integran el funcionamiento normal junto con la aparL ción de anomalías en secuencias cerradas. Llegados a este punto, corresponde al usuario la tarea de adaptar la guía GEMMA e implementarla al sistema automatizado en cuestión. Sin duda, es una tarea compleja, ya que algunos modos no son tan sólo conceptos puntuales. Así, por ejemplo, en el modo D2, el diagnóstico de fallos/defectos ha evolu_ cionado hasta el desarrollo de sistemas de control tolerantes a fallos, de manera que ya se dispone de aportaciones teóricas de nivel. Y el modo D1 de parada de emergencia esconde todo el tema de la seguridad en máquinas y las normativas asociadas. Para finalizar estos comentarios sobre la representación gráfica, se puede hacer hincapié en el detalle de que la guía GEMMA ofrece de forma estática todos los posibles estados y transiciones, de la misma manera que el GRAFCET, en su descripción tecnológica, nos ofrece la representación estática del control secuencial. En este sentido, los diseñadores quisieron facilitar el aprendizaje de esta guía a los usuarios ya familiarizados con GRAFCET.
5.11.3.
Utilización de la Guía GEMMA
Como se expuso en el apartado anterior, la guía GEMMA contiene todos los posibles estados del proceso de producción. El diseñador deberá escoger qué esta_ dos son necesarios en su automatismo y estudiar los estados de evolución definiendo las condiciones de paso. La utilización de la guía GEMMA pasa por dos etapas. La primera etapa es la compren_ sión y el uso práctico de la metodología a nivel básico, mientras que la segunda. etapa corresponde a la aplicación a casos complejos. En este apartado se lleva a cabo la primera etapa, con algunos de las situaciones más significativas. Algunos de los casos más frecuentes son: • Marcha por ciclos y paro a fin de ciclo El sistema está parado en el estado inicial (Al). Cuando las condiciones de puesta en marcha se verifiquen (modo de marcha, pulsador de arranque, etc.) se pasa a funcionar en modo normal (F1). Cuando el operador pulsa el botón de paro al fin del ciclo, la máquina pasará al estado de paro a fin de ciclo (A2) y cuando se acabe el ciclo, pasará al estado inicial (Al). La situación anotada se ilustra en el diagrama de la figura 5.113.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
296
Oo •• ""
sin aIlrncntaf
o Procedimientos
Figura 5.113.
00 FOIIlo
Guía GEMMA para procedimiento:
Marcha por ciclo y paro al final de ciclo
Si se selecciona el modo de funcionamiento ciclo a cicl0r el paso de Fl a A2 es directo inmediatamente después de iniciado el ciclo y no necesita la actuación sobre ningún pulsador. El modo ciclo a ciclo puede ser con anti-repetición. En este caso el paso de A2 a Al solo se puede hacer cuando el pulsador de arranque no esté pulsado De esta forma se garantiza que el operario pulsa el botón cada vez que tiene que empezar el ciclo y quer por lo tantor el ciclo no puede re_ empezar en el caso que el pulsador estuviera enclavado. En la fase de supervisión sólo intervienen el módulo de modos de marcha y el módulo de producción (Figura 5.113). En la fase de interacciónr el panel de mando está compuestor en la parte de servici0r por el selector de servicio y el /ed indicador de servicio; en la parte de modos de marcha se dispone del selector (Or Cacr AUT) y el pulsador para validar la decisión. La intervención del operario se tradu_ ce de forma que, en condiciones normales de funcionamientor inicia el ciclo de actividades seleccio_ nando el modo automático AUT y validando con el pulsadorr mientras que finaliza las actividades de un ciclo en ejecución seleccionando el modo ciclo a ciclo (Cae) y validando con el pulsador (Figura 5.114).
March",;Paro t:f"!
fun::k>nam¡~nto
, , Selee'M
o
o
..
.....
Figura 5.114.
'"~,
Panel de mando para marcha por ciclos y paro al final de ciclo
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
297
5. Controlador Lógico Programable Obsérvense las mismas ideas desde el punto de vista de la conectividad de GRAFCET parciales en la figura 5.115. Cuando el operario selecciona AUT y acciona el pulsador de validación en el GRAFCET de conducción G100, pasa a ejecutarse el algoritmo de control secuencial presente en el módulo de producción, GRAFCET de producción GO. El GRAFCET de conducción G100 está estructurado en forma de estados (~ y transiciones. El GRAFCET de producción GO está estructurado en forma de etapas (E) y transiciones (t). Para aclarar la nomenclatura utilizada, sirva este ejemplo: el estado X101 está compuesto por la etiqueta 101 y la etapa 101, mientras que el estado Xl está compuesto por la etiqueta 1 y la etapa 1 y ésta a su vez puede contener una o más acciones. Habitualmente en el GRAFCET de conducción aparecen transicio_ nes asociadas a los dispositivos del panel de mando, mientras que en el GRAFCET de producción aparecen transiciones asociadas al GRAFCET de conducción ya que existe una clara dependencia horizontal.
G100
Figura 5.115.
GO
GRAFCET para situación marcha por ciclos y paro al final de ciclo
Si, mientras se desarrolla el GRAFCET de producción GO, el operario selecciona CaC y acciona el pulsador de validación, se conduce el algoritmo global al estado de parada en el estado inicial al finalizar el ciclo de ejecución actual (GOal estado XOy GlOOal estado Xl00). En caso de que entremos en la etapa n+1 valoramos si el operario ha seleccionado CaC y ha validado, con lo que GO se reanuda en la etapa O, o bien si el operario tenía seleccionado AUT y ha validado sin ordenar paro a fin de ciclo, con lo que GOse reanuda en la etapa lo De esta forma, el operario introduce condiciones de marcha y paro dentro del control secuencial de un proceso y ello puede ser útil para el seguimiento adecuado del proceso controlado. cabe indicar que la situación 1 es genérica y que, con matices, se puede aplicar en general a sistemas productivos, ya que, como se aprecia en la guía (figura 5.113) la descripción de los estados y las transiciones es independiente del tipo de proceso particular expresado en el GRAFCET de producción. Ello hace que esta situación sea intrínseca a la utilización de la guía GEMMA.
• Marcha de verificación con orden - En este caso la máquina puede pasar cuando está en producción normal (F1) funcione etapa a etapa deberá pulsarse ando el modo normal la máquina pasará
a funcionar en este modo (F5) cuando está parada (Al) o si se selecciona el modo etapa a etapa. Mientras la máquina un botón para pasar de una etapa a la siguiente. Selección_ al estado de producción normal (F1).
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
298
Lógico Programable
Si se selecciona el modo normal cuando la máquina está en la última etapa y se pulsa el botón de paro, la máquina se detendrá. En esta situación, en la fase de supervisión sólo intervienen el módulo de modos de marcha y el módulo de producción (figura 5.116). En la fase de interacción, el panel de mando está compuesto por tres partes: en la primera se dispone del selector de puesta en servicio (O, 1), junto con el LEO informativo correspondiente; en la segunda se dispone el selector de modos (MAN, O, CaC, AUT), junto con el pulsador de validación y el LEO informativo de funcionamiento; finalmente, se dispone del selector de verificación con orden (Orden, O) junto con el pulsador de verificación y el LEO informativo correspondiente (figura 5.117).
e_o/
sin alín~ta'
A
Procedilrientos de P3rad:: A1
o Proct!'dimhurtos
Figura 5.116.
de Fallo
Guía GEMMA para procedimiento:
marcha de verificación
con orden
En fUllcionamiem:o.-
S~lector
o AUT
M.A .•.••. ,"
Figura 5.117.
Cae
Panel de mando para: marcha de verificación
con orden
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
299
Controlador Lógico Programable
En primer lugar, hay que indicar que esta situación expresa la modularidad en la construcción de la guía GEMMA. En esta situación se incorpora de forma natural la situación 1, tal como se aprecia en las figuras precedentes, tanto en la representación de la guía, como en el diseño del panel de mando y en la representación del GRAFCET. La intervención del operario puede acontecer al inicio de ciclo o en pleno desarrollo del mismo. En todo caso, cuando el operario selecciona el modo MAN y valida la decisión mediante el pulsador, se entra en el control manual (tanto si se trata del principio del ciclo como de cualquier momento del mismo). Si el operario selecciona MAN, a continuación el operario selecciona el modo orden y finalmente valida su decisión, y ya se está en disposición de ejecutar FS: la marcha de verificación con orden. Para la transición de una etapa a la siguiente, en el GRAFCET de producción no basta con las transiciones habituales sino que es el propio operario el que interviene en la transición y debe accionar el pulsador de verificación. Una vez ejecutados diversos estados mediante el estado F5 de la guía, el operario puede poner el primer selector en modo AUT y el segundo selector en modo O, y accionando el pulsador de validación se reanuda el control automático .
..
• '00
Figura 5.118.
GRAFCET para: marcha de verificación
con orden
Nótese que, en sistemas productivos continuos, la disposición del selector en cuatro modos (MAN, O, CaC, AUT) puede simplificarse a tres (MAN, O, AUT). Por ejemplo, en el llenado, la puesta de tapón y etiqueta de botellas, no es necesario el modo CaC, por lo que sencillamente poniendo el selector en el modo O y validando la decisión se detiene el proceso sin más problemas, y se reinicia seleccionando AUT y validando la decisión. En el caso de máquinas de extrusión de plástico en las que el operario repone, de forma continua, material para que la máquina genere piezas discretas, quizás tampoco es necesario el modo Cae. En máquinas-herramienta de control numérico computarizado CNC en las que la producción se realiza por lotes de piezas mecanizadas, el modo Cac es necesario para valorar aque_ llas situaciones (cambio de herramienta, mantenimiento preventivo) en las que el ciclo debe interrum_ pirse si el operario conoce la vida útil de la herramienta, o el desgaste de componentes en función del número de lotes producidos por la máquina.
• Marcha de verificación sin orden Se puede pasar al modo de verificación sin orden (conocido habitualmente como funcionamiento nual) tanto desde el estado inicial (Al) como desde el funcionamiento normal (F1).
ma_
Allí el operador puede realizar todos los movimientos por separado y en un orden arbitrario. Pulsando el botón de inicialización se coloca el sistema en el estado inicial (A6) y una vez alcanzado se pasa al estado inicial (Al). El operario también puede ejecutar el estado F4: Marcha de verificación sin orden.
AUTO MATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
300
Lógico Programable ...•....
Obsérvese que en el panel de mando debe corregirse el selector (Orden, O) considerando (Desorden, Orden, O) y que el GRAFCET de conducción G100, después del estado 100 Xl00, presentará una tercera rama dentro de la estructura de secuencias excluyentes (lo que se conoce como paralelismo interpretado), con una transición del tipo va/-MANDesorden. La figura 5.119 ilustra el gráfico de la guía GEMMA para el modo de verificación sin orden.
Figura 5.119. GuíaGEMMAparaoperación:marchade verificaciónsin orden
• Paros de emergencia El sistema está funcionando normalmente (F1) y se pulsa el pulsador de emergencia. Esto, en los sistemas habituales, implica dejar sin alimentación (físicamente, sin intervención del sistema de con_ trol) a todo el sistema de producción que, por diseño, quedará en posición segura al quedarse sin dicha alimentación. El mismo pulsador de paro de emergencia informa al control que pasará al estado de paro de emergencia (01). Al desenclavar la emergencia se pasa a preparar la puesta en marcha. En este caso hay dos posibilidades de uso habitual según cual sea el sistema que se está controlando. En el primer caso se lleva el sistema hasta el estado inicial (A6), cosa que a menudo requiere la intervención del operario y, una vez en el estado Al, el sistema espera una nueva puesta en marcha pulsando el botón de arranque que hará reiniciar el proceso de producción (F1). (Ver figura 5.120).
Figura 5.120. Paro de emergencia. Primeraposibilidad
_.
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
301
TEORÍA Y LABORATORIO
Controlador Lógico Programable
La segunda posibilidad consiste en llevar el sistema hasta un estado determinado (Al), cosa que a menudo también requiere la intervención del operario y, una vez en el estado A4, el sistema espera la continuación del funcionamiento que se producirá cuando el operario pulse el botón de arranque que hará continuar el proceso (F1) a partir de la etapa en la que se encuentre. (ver figura 5.121).
Figura 5.121.
Paro de emergencia.
Segunda posibilidad
• Paro en un punto El sistema está funcionando en producción normal (H) y el operador pulsa el botón de paro; entonces se pasa a la situación de paro requerido (A3) y, una vez alcanzado el punto deseado, el sistema se para (A4). Se deberá pulsar el botón de arranque para que el sistema siga funcionando (F1) a partir del punto de paro (ver Figura 5.122).
Figura 5.122.
Paro en un punto
AUTOMATIZACIÓN
5. Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
302
Lógico Programable
Fl
• Acción inicio de ciclo exterior a
A cada ciclo la máquina parte del estado inicial Al y cumpliendo las condiciones para «inicio de ciclo» dado por el operarior pasa al estado Fl. Cuando el ciclo de producción normal ha terminador la máquina vuelve a la etapa inicial Al sin intervención del operario. Observe la situación en la figura 5.123(A).
I_A<
D
_
D
fl
Inicio ciclo en la secuencia
Resto secuencia
(B)
(A)
Figura 5.123.
Dos acciones distintas de disposición de guía GEMMA: (A) Acción con inicio exterior a F1. (B) Acción con inicio interior a Fl
• Acción inicio de ciclo interior a
Fl
La máquina es puesta en marcha a través del estado F2r es decir en etapa de preparación. Finalizado F2 es conducida automáticamente a F1 para realizar la producción norma Ir como se muestra en la figura 5.123(B). Observe en esta acción que el paso de la etapa A2 a la etapa inicial Al es director sin intervención del operarior en forma automática. Configurando el GRAFCET correspondienter se puede dejar que este paso sea automático o manualr dependerá de las especificaciones particulares del proceso. Estos dos ejemplos y los anterioresr muestran la versatilidad de la guía GEMMA para disponer todo el proceso de automatización en procesos industriales. La combinación entre las diferentes etapas de la guía GEMMAr dependerán propiamente del procesar de lo que quiere el cliente y lo que recomienda el diseñador. Para finalizar esta breve exposición del temar se muestra en la Figura 5.124 una presentación de los estados más importantes indicados en la guía GEMMA traducidos al diagrama GRAFCET. Este esquema podría aplicarse a cualquier instalación o maquinaria industrial. Tiene tres ramales dispuestos en OR exclusivar así que dependiendo del modo particularr seguirá uno de ellos. Se puede comenzar con el estado inicial Alr seleccionar el modo de preparación del proceso F2 y entrar a decidir el modo requerido. Si se requiere hacer la producción normal se activará la transición: que seguirá la ruta: A1-F2-Fl-A2-Al. Si desea el modo de control paso-pasar activará la transición: seguida es: Al-F2-F5-A6. -
Prep_OK&Pos_seg&Producciónr
Prep_OK&Esty_estr
así
así que la ruta
Si desea el modo de verificaciónr activará la transición: Prep_OK&Paso-a-paso y la rita seguida en este modo es: A1-F2-F6-A6.
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
303
TEORÍA Y LABORATORIO
Controlador Lógico Programable
Arranque PLC
E.lado ínj.,illl
M ~cha
de prepar-ación
Pr~p_OK& POS_$e; & PlOd.ucCJQ:U
P1",,_OK& &1-"_",,
M archa de velific ac io"
con orden
f;u]l . M&l'Chad'@l pro C!ucción
Figura 5.124.
Fiu]S
Fin]6
Guía GEMMA de un proceso general y su equivalente
GRAFCET.
Queda como inquietud, trazar el diagrama GRAFCET si se tienen etapas de emergencia.
Ejemplo 5.7 Considere el sistema de la siguiente figura:
D
Figura 5.125.
Ejemplo 5.7: Diagrama de proceso sobre banda transportadora
Por una cinta accionada por el motor M circulan palets espaciados regularmente de forma que cuando hay un palet en A hay otro en B. Sobre estos palets puede o no haber un producto sobre el que hay que realizar dos operaciones A y B (podrían ser de llenado, taponado, etiquetado, control, etc). El detector inductivo D detecta el paso de los palets, mientras que la fotocélula P detecta la presencia de producto (si hay producto se activa antes que D). Supondremos en este caso que las operaciones A y B están temporizadas (duran 1 y 2 segundos respectivamente).
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador Lógico Programable
304
Solución Una posible solución al problema se muestra en el GRAFCET de la siguiente figura
Telllp=ls!
El DI tI)¡ (8)
Figura 5.126. Solución al ejemplo 5.7: (A) Diagrama GRAFCET (6) Diagrama GRAFCET considerando dos recipientes consecutivos
Si vienen dos productos consecutivos se activan dos etapas de la secuencia, realizándose las dos operaciones; el· GRAFCIT correspondiente es el de la figura 5.126(A). Si vinieran dos botes consecutivos y después ninguno la evolución sería la mostrada en la figura 5.126(B).
Fin ejemplo 5.7
5.11.4.
Diseño estructurado de automatismos
Los ejemplos vistos en secciones anteriores se han resuelto por medio de un solo diagrama GRAFCIT. Cuando se trata de problemas más complejos es normal utilizar varios diagramas (GRAFCET parciales), que pueden funcionar de forma indepen_ diente o de forma coordinada. Realizar un diseño estructurado del sistema de control automático consiste en realizar, en lo posible, una representación separada de los diversos aspectos del modelo del sistema, tales como: funcionamiento normal de producción, distintos modos de mar_ cha posibles, paradas de emergencia asociadas a la seguridad, etc., mediante la utilización de diagramas funcionales parciales, que de manera clara y objetiva, mode_ len cada uno de ellos y el comportamiento del sistema de control teniendo en cuenta estos aspectos. Lo mencionado en las líneas anteriores se ilustra gráficamente en la figura 5.127, en donde se tienen tres GRAFCITs separados, que realizan funciones específicas. Esta es una muestra del GRAFCET estructural.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
305
5. Controlador Lógico Programable
GRAFCET DEl\L\.RCHA
GR.AF(':ET D[ ~EG{lR.m_u>
I
i
I
TII
ti
OTO
:
L
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Tu
11
20
[=w,1
REARl\[E
I
I
2lU;;'~;]~("Á I ,
!
I
J
Figura 5.127.
Diagrama estructurado
GRAFCET general
Entonces, con objeto de establecer un diseño estructurado del sistema, el diagrama global se parte en subdiagramas, pero todos ellos están interrelacionados, y esto se logra estableciendo las condiciones de dependencia y de jerarquía, de acuerdo a la importancia de cada uno de ellos en el desarrollo de proceso.
Ejemplo 5.8 1. Considerar estructural.
el ejemplo
5.7 y diseñar el GRAFCET para que se exprese el proceso en forma
Solución Se puede resolver utilizando dos GRAFCET como se muestra en la figura 5.128.
I! I Gl
Figura 5.128.
Solución GRAFCET con diseño estructurado
G2
para el ejemplo 5.7 y 5.8
En este caso la coordinación entre los dos GRAFCET se produce por la primera transición de G2, que es función de El (cuando ha habido un bote en el primer proceso El se ha activado y, como consecuencia, también E2, por lo que el segundo GRAFCET hace que en B se procese el bote). En el diseño estructural se deben establecer jerarquías entre cada sub-diagrama; esta jerarquía puede establecerse por medio de las órdenes de forzado: el GRAFCET jerárquicamente superior fuerza al GRAFCET inferior. Para el ejemplo se podría poner una etapa X4 en el GRAFCET G1 como se muestra en la siguiente figura.
AUTOMATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
306
Controlador Lógico Programable
nI _,
~
B lí3/2s
G2
Gl
Figura 5.129.
Jerarquía de GRAFCET para el ejemplo 5.8
En este caso Gl es el GRAFCET principal (o maestro), que fuerza la activación de la etapa 2 del GRAFCET subordinado cuando se tiene que procesar un bote en el proceso B. En este ejemplo la utilización de GRAFCETjerárquicos complica el problema, por lo que no tiene sentido hacerla así. La acción de forzado puede ser activa por nivelo por flanco (impulsional). El forzado impulsional se representará igual, pero con una flecha después de la F. Por ejemplo F jG2:{2} significa que cuando se activa la etapa correspondiente del GRAFCET Gl se produce el forzado de la etapa 2 del GRAFCET G2, pudiendo después evolucionar de forma libre este GRAFCET, aunque el primero no cambie de etapa. El forzado por nivel, sin embargo, mantiene forzado el GRAFCET subordinado mientras no se desactive la etapa. El forzado por flanco se puede siempre sustituir por un forzado por nivel y una etapa auxiliar con transición de salida siempre activa, tal como se mostrará en el siguiente ejemplo. El forzado de GRAFCET cumple las siguientes reglas: 1. El forzado es prioritario respecto de cualquier otra evolución (sea de activación o de desactivación). 2. Las reglas de evolución del GRAFCET no se aplican a un GRAFCET mientras este permanezca forzado. En el ejemplar mientras el GRAFCET Gl permanezca en la etapa 4, el GRAFCET G2 permanecerá con la etapa 2 activa y la 3 inactiva, independientemente de las entradas.
Cuando se utilizan varios GRAFCET jerarquizados las siguientes reglas de jerarquía:
con acciones de forzado entre ellos hay que aplicar
1. Si un GRAFCET puede forzar a otro, éste no puede forzar al primero. 2. Un GRAFCET no puede ser forzado en ningún instante por más de un GRAFCET a la vez. 3. No debe haber bucles en el forzado (Gl fuerza a G2, G2 fuerza a G3 y G3 fuerza a Gl), pues pOdría dar lugar a un funcionamiento inestable.
Se puede utilizar la jerarquía entre GRAFCET para tener en cuenta los diferentes modos de funciona_ miento del proceso (manual, automático, ciclo a ciclo, test, procedimiento de arranque, procedimiento de parada, etc.) y las emergencias. Se puede utilizar, por ejemplo, un GRAFCET maestro que controla el modo en el que se encuentra el proceso, y varios GRAFCET subordinados que implementan el control del proceso es esos modos. También es bastante habitual utilizar un GRAFCET subordinado para cada subproceso cuando el sistema. tiene subprocesos bastante delimitados. La relación entre estos GRAFCET parciales se suele implementar por la utilización de variables de un GRAFCET en las transiciones del otro. La utilización de macro etapas también contribuye a estructurar los automatismos y hacerlos más fáciles de entender y verificar. Una macro etapa no es un GRAFCET dife_ rente, sino una forma condensada de representar una secuencia dentro de un GRAFCET.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
307
5. Controlador Lógico Programable
2.
Volver al ejemplo 5.8.1. Se desea añadir las siguientes funciones.
• Disponer de un pulsador de MARCHA y otro de PARADA. Al iniciarse el sistema todo estará desactivado hasta que se accione el pulsador de marcha. Cuando accione el pulsador de parada el sistema acabará de procesar los elementos que lleguen hasta que se active D sin que haya pieza (P=O) y sin que quede producto en B que procesar. En ese momento se pasará a la situación de inicio . .• Además habrá un pulsador de EMERGENCIA (pulsador con enclavamiento). Este pulsador produce un corte de la alimentación del motor de la cinta y de los procesos A y B, independientemente del automatismo. Cuando se accione el pulsador de emergencia hay que desactivar los procesos A y B Y la cinta (aunque ya estén de hecho apagados por falta de alimentación) y poner en marcha una sirena.
i
Esa sirena se desactivará cuando se actúe un pulsador de parada de sirena. Para re_arrancar el sistema (después de resolver manualmente el problema que originó la emergencia) se deberá rearmar el pulsador de emergencia (ponerlo a off) y después operar el pulsador de marcha. • Además habrá un pulsador de parada de cinta temporal y un pulsador de reinicio de cinta, que se utilizarán para parar la cinta en cualquier momento.
I1
Solución De acuerdo a los requerimientos,
una posible solución se ilustra en la figura 5.130.
[J
ParoCiilUt
~
G2
.'1al'cl/aCiIl;(l
..,:'fERGENClA [],
_pa_io_sl_Ú_iW_-E_MERGENCL~
03
F/Gi: {)!G2: {}iG3:{} ---------------------] ---------------------
,\
GO
Figura 5.130.
Soludón al ejemplo 5.8.2 de acuerdo a especificaciones
del enundado
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
308
5. Controlador Lógico Programable El GRAFCET maestro (GO) es el que controla los modos de marcha, parada y la emergencia. Otra posibilidad para el GRAFCET GO que no utiliza forzados por flanco (lo sustituye por un forzado por nivel y una etapa auxiliar) se muestra en la figura 5.131.
PARADA
_.....
EAJERG"EVCIA
"~;-T,l;-C+'M::":;~i;~,:,: __ :_j
EMERGE.YCíA
"I
EMERGENCL4
GO
Figura
5.131.
Solución alterna para el GRAFCETGOdel ejemplo 5.9
Fin ejemplo 5.8
Ejemplo 5.9 (Problema tomado de Internet)
Descripción del sistema: El esquema del problema propuesto se ilustra en la figura 5.132. El objetivo es realizar el volcado de una mezcla de cemento en la zona rectangular G. los elementos disponibles en el sistema son: Dos vagonetas que cargarán los elementos necesarios (cemento yagua). trayecto AC (parte superior) y la vagoneta 2 el trayecto DFG (parte inferior).
la vagoneta
1 cubre el
Dos tolvas, una que almacena cemento (tolva C) y otra que almacena agua (tolva A). Dos accionadores en cada tolva· que provocan el vertido de los materiales respectivos (identificados como TC y TA). Dos dosificadores para cada tolva que indican cuando se dispone de la cantidad suficiente de material (identificado res fc y fa). Un pulsador de arranque M. Seis sensores, a, b, c, d, e Y g, que se activan cuando las vagonetas están situadas en las posiciones A, B, C, D, E Y F, respectivamente. la vagoneta 1 (superior) dispone de un motor con dos sentidos de marcha: a derecha (señal MD1) y a izquierda (señal MIl). También dispone de un mecanismo de volcado del material (acciona miento VC), junto a un sensor que se activa cuando detecta la finalización del volcado de material (fvc). la vagoneta de la parte inferior sólo dispone de un sentido de marcha a derecha (señal MD2). Tam_ bién dispone de un molinete que se acciona con la seña MOl y un dispositivo de descarga que se activa con la señal DES, junto con un sensor de fin de descarga fdes.
¡-
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 5. Controlador
309
Lógico Programable
CJ.TC ~('
c=JTA ",=1,
D
Figura 5.132.
Ejemplo 5.10: Esquema del proceso de mezcla y transporte
de cemento yagua
El proceso a controlar debe seguir los pasos siguientes: 1. El ciclo comienza con el accionamiento del pulsador de arranque M, si además las dos vagonetas se encuentran situadas en los puntos A y D. 2. La vagoneta superior debe dirigirse hacia el punto B, debajo de la tolva de cemento, para realizar la carga. Después debe dirigirse al punto C donde volcará el cemento a la vagoneta del circuito inferior. El volcado debe producirse sólo si la otra vagoneta está situada debajo. 3. La vagoneta inferior debe comenzar su recorrido cuando la otra vagoneta se sitúe debajo de la tolva de cemento y se detendrá a cargar agua debajo de la tolva de agua, para posteriormente dirigirse al punto F para recibir la descarga de cemento de la vagoneta superior. 4. Cuando finalice la descarga de cemento, la vagoneta superior debe regresar al punto de partida A. 5. Simultáneamente, la vagoneta inferior debe activar su molinete al tiempo que se dirige al punto G de descarga. Cuando finalice la descarga deberá dirigirse al punto D cerrando el recorrido del circuito.
Solución En la figura 5.133 se muestra el diagrama GRAFCET de nivel 2 para este sistema. Tratamiento de alarmas
y paradas de emergencia
Supongamos que en una segunda fase de diseño se desea contemplar los siguientes casos de alarmas y paradas de emergencia: 1. Avería en los mecanismos de apertura/cierre de las tolvas TC y TA. En este caso se procederá a la suspensión de todas las operaciones con la retirada manual de las vagonetas a su lugar de origen para proceder a su reparación. 2. Avería de cualquiera anterior.
de las dos vagonetas.
Se realizarán las mismas acciones que en el caso
3. Aparición de algún obstáculo en la trayectoria de cualquiera de las dos vagonetas, suspender temporalmente la evolución del sistema hasta que sea retirado el obstáculo.
lo cual deberá
AUTOMATIZACIÓN
5. Controlador
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
310
Lógico Programable
Figura 5.133.
Diagrama GRAFCET del proceso de mezcla y transporte
En los casos (1) y (2) deberá añadirse al GRAFCET anterior una secuencia de emergencia que situará al sistema en el estado deseado. Esta secuencia contempla la activación de una señal sonora (AS) cuando se produzca la avería en una u otra vagoneta, la retirada de ésta de forma manual a su punto de partida para su reparación y finalmente la restauración de todas las condiciones iniciales que hagan posible el rearme del sistema y el retorno al funcionamiento correcto. El caso (3) puede solucionarse mediante la técnica de congelación del automatismo, introduciendo una variable en cada una de las receptividades afectadas y dotando de carácter condicional a las acciones de marcha de las vagonetas. Las variables de alarma introducidas son las siguientes: P, cuya activación indicará averías de las vagonetas o en alguna de las tolvas. PO, que indicará presencia de obstáculo en las trayectorias de las vagonetas. Además, se añaden dos variables nuevas:
el
que indica cuándo se recuperan las condiciones iniciales, y Re que indica cuándo el sistema está preparado para seguir el funcionamiento normal (rearme).
Las modificaciones del diagrama GRAFCET anterior, teniendo en cuenta las variables y secuencia de emergencia, se muestran en la figura 5.134. Como se puede observar en este diagrama, si se consideran los aspectos de seguridad comentados en las especificaciones, de cada una de las etapas del GRAFCET deberá salir una divergencia hacia la secuencia de emergencia de carácter prioritario. De esta forma se asegura que, sea cual sea la situa_ ción en que se encontrase el sistema, se garantiza la seguridad del mismo.
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
311
5. Controlador Lógico Programa e
Figura 5.134.
Diagrama GRAFCIT modificado teniendo en cuenta alarmas y parada
Como se ha podido comprobar, la representación directa y exhaustiva en un único diagrama de la seguridad del sistema puede complicar en la mayoría de los casos el diagrama GRAFCET, lo cual va en contra de los objetivos de legibilidad y claridad del mismo. Por este motivo es más conveniente estructurar la representación en varios diagramas GRAFCET, como se ha explicado anteriormente. Diseño estructurado El diseño estructurado del sistema de control consiste en realizar, en la medida de lo posible, una representación separada de los diversos aspectos del sistema. En este caso concreto, el criterio que se utilizará será descomponer el modelo global en tres diagramas parciales que representarán respectiva_ mente: La seguridad del sistema (GRAFCET de seguridad). Este diagrama es jerárquicamente superior y deberá establecer los criterios sobre seguridad realizados en las especificaciones de diseño. La jerar_ quía se establecerá usando el mecanismo de forzado. Los mooos de marcha (GRAFCET de modos de marcha).
Este diagrama se diseña de tal forma que se
permita conmutar entre tres modos de marcha: Automático, semiautomático (ciclo a ciclo) y de intervención.
AUTO MATIZACIÓN
5.
INDUSTRIAL:
312
TEORÍA Y LABORATORIO
Controlador Lógico Programable
El funcionamiento
normal del sistema (GRAFCET de producción).
En las siguientes figuras se muestra el diseño estructurado
(b.(E41
del sistema usando estos tres diagramas.
+E43)
MI.lvlA.lvlCC
(B)
(c)
Figura 5.135.
Ejemplo 5.10: Diseño estructurado para el proceso de mezcla y transporte (A) GRAFCET de producción (B) GRAFCET de seguridad (C) GRAFCET de modos de marcha
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
313
5. Controlador Lógico Programable Se han añadido tres variables para permitir el control de los modos de marcha: MA: controla el modo de marcha automática.
MCC controla el modo de marcha ciclo a ciclo. MI: controla el modo de marcha de intervención.
Además¡ en el GRAFCET de producción se utilizan las variables booleanas E41¡ E42 Y E43¡ que indican la activación de las etapas 41¡ 42 Y 43 del GRAFCET de modos de marcha. Cuando el sistema se encuentra en el modo de marcha automático¡ se desea que el funcionamiento sea equivalente al modelado en el GRAFCET inicial (primer GRAFCET trazado al inicio de la solución). En ese caso el operador activará el interruptor MA¡ de tal forma que se producirá la transición de la etapa 40 a la 41 del GRAFCET de modos de marcha. El interruptor MCC se utilizará para que el operador pueda controlar el inicio de un nuevo ciclo de ejecución del proceso. Cuando se desea que el sistema funcione ciclo a ciclo deberá accionarse MCC de tal forma que el GRAFCET de modos de marcha active su etapa 42. Cuando el GRAFCET de produC ción alcance la etapa 29¡ se quedará esperando en dicha etapa hasta que se desactive MC( lo cual podría provocar la transición a la etapa O. Una vez activada esta etapa¡ se podría dar la orden de inicio de un nuevo ciclo accionando de nuevo MCC La marcha de intervención servirá para detectar fallos en el sistema. La representación de esta marcha se consigue incluyendo la variable E43 en las condiciones de las acciones y en las receptividades de las transiciones¡ de tal forma que se permite controlar manualmente la evolución del sistema mediante la activaciónjdesactivación del interruptor MI
Fin ejemplo 5.9
Ejercicio 5.8 1. Problema 1·' El proceso consiste en un control para la mezcla de tres productos A¡ B Y C. Los productos A y B son pesados juntos en una tolva B1¡ mientras que el producto C es pesado y dosificado en la tolva 62. El producto final se obtiene con la mezcla de los tres ingredientes en un mezclador dispuesto para este fin¡ por un periodo de tiempo determinado por especificaciones. Al final de este tiempo¡ la mezcla total es evacuada hacia los depósitos de almacenaje
A{bi
.'
8
yl~Hl~j{~
51
e
"'--..//
hopper Weighing
r,opper Weighíng
t·
~
Mi \/
!
82
Evacuation
Figura 5.136.
Problema 5.8.1. Esquema de un sistema de mezcla de tres sustancias
AUTOMATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
314
TEORÍA Y LABORATORIO
Lógico Programable
Análisis funcional: El proceso puede ser descrito en cuatro secuencias principales: • • • •
Dosificación de tres ingredientes Llenado del depósito mezclador Mezcla de los tres productos Evacuación del producto final
Diseñar el GRAFCET que desarrolle el problema y adicionar los sistemas de parada y emergencia necesarios para prever todas las posibles situaciones de fallas y anomalías. Hacer el diseño estructural del GRAFCET global. Considerar todas las posibilidades de funcionamiento optimizado.
y proponer mejoras para que el proceso sea ~
'" Problema tomado de Internet.
2. Problema 2*, La empresa «HHGRInc» ha recibido el encargo de automatizar ción de arroz con leche de la figura,
o
la planta de fabrica_
OFEC3C
FEC3f,1 FEC3L EC-¡ \fLeche {~ Llenado
VArroz _, CCE CC:; s~_:\
EL
"
EV EVC EVL Vaciado
ER
Figura 5.137.
Problema 5.8.2: Fábrica de arroz con leche.
El sistema consta de: • Zona de llenado. En esta zona se vierte leche y arroz sobre el recipiente de cocción situado sobre una báscula. La báscula está tarada para pesar las cantidades adecuadas. Primero se vierte arroz utilizando la válvula arroz VARROZ hasta que la báscula indica mediante BARROZ que se ha vertido la cantidad adecuada. A continuación se vierte VLECHE hasta que la salida digital BLECHE de la báscula se active. El recipiente lleno es desplazado por el empujadar EL hacia la cinta CC en dirección a la cocción. • Zona de cocción, En la zona de cocción, el recipiente es llevado de la cinta CC al primer fuego disponible CX (1, 2 o 3) mediante el empujador ECX correspondiente (los sensores SPX indican la posición del recipiente). Cada empujador ECX es movido por un conjunto motor-variador con 2 entradas digitales: MECXA para el avance y MECXR para el retroceso. Además cada empujador tiene tres finales de carrera FECXC, FECXM y FECXL para
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
315
TEORÍA Y LABORATORIO
5. Controlador lógico Programable indicar posición C (corta: empujador preparado para arrastrar recipiente de cinta a zona de cocción), M (media: recipiente sobre zona de cocción) y l (larga: recipiente sobre cinta de vaciado). la cocción dura exactamente 10 minutos. Cada zona CX tiene una señal cxa para activar y mantener el fuego en los quemadores. Transcurridos los 10 minutos se desactiva el fuego y el empujador ECXlleva el recipiente a la cinta O/. • Zona de vaciado. la cinta O/ arrastra los recipientes hacia la zona de vaciado donde la máquina VAC se encarga de vaciarlos y enviar el producto a la envasadora. la máquina VAC tiene la entrada digital VACa para ordenar el vaciado y la salida digital VACf para indicar que ha terminado. A continuación el recipiente es deposi_ tado sobre la cinta de retorno CR mediante el empujador EV. • Zona de retorno. los reeipientes vacíosvuelven por la cinta de retorno CR. El empujador ER los envía hacia la cinta de llenado (Cl) y de aquí pasan a la zona de llenado. la cinta CC se pone en marcha (si ya no lo estaba) cada vez que un nuevo recipiente es depositado mediante el empujador EL. Si un recipiente alcanza el s~nsor CCS y no hay hueco en la zona de cocción, la cinta se para hasta que se libere· un fuego. la cinta también se para si no hay recipientes sobre ella. Para evitar problemas, cuando hay un recipiente esperando en CCS, el empujador El introduce el siguiente recipiente una vez llenado (si lo hay) y no retrocede (se bloquea), con el fin de no acumular recipientes sobre la cinta Cc. De igual forma, la cinta Cl se para cuando un recipiente alcanza la posición de ClS y no puede avan_ zar porque el empujador El está bloqueado. El empujador ER sólo puede introducir un nuevo recipi_ ente en la cinta Cl y no puede retroceder hasta que el recipiente en la posición ClS se desbloquee. Cl también se para si no hay recipientes sobre ella. la cinta CR se para si no hay recipientes sobre ella o si habiendo recipientes sobre ella el empujador está en posición de bloqueo y no hay que introducir más recipientes desde la zona de vaciado. En cualquier otro caso la cinta ésta en movimiento. la cinta 01 se para si no hay recipientes sobre dicha cinta o si hay un recipiente en la zona de vaciado y otro recipiente ha alcanzado el sensor CVS. los empujadores El, EV y ER son movidos por un motor-variador que tiene dos entradas digitales: EXA para ordenar el avance y EXR para ordenador el retroceso. Asociado a cada empujador hay dos finales de carrera para indicar posición mínima de retroceso (FEXM) y posición máxima (FEXl). El sistema tiene dos modos de funcionamiento control:
controlados
por un conmutador
en el pupitre de
• Modo automático: descrito anteriormente. Hay dos pulsadores PA y PP para arrancar y parar en modo automático. Cuando se da la orden de parar, el sistema no llena más recipientes y se para cuando todos los recipientes que estaban en cocción se hayan vaciado. • Modo manual supervisado: mediante pulsadores se pueden mover todos los elementos del sistema. Además existe una parada de emergencia que se activa mediante una seta de emergencia en el pupitre de control o mediante el sensor Ma de detección de monóxido de carbono en los fogones de la zona de cocción. Existe un pulsador de rearme (además del rearme de la seta de emergencia) mediante el cual el operador indica que ya no hay situación de emergencia. Automatizar el sistema aplicando la guía GEMMA: a. Dibujar el GRAFCET del modo de funcionamiento
automático.
b. Confeccionar el GRAFCET final (o GRAFCETs)para contemplar el modo de funcionamiento la parada de emergencia. c. Hacer el diseño del panel de control que se colocará cerca de la máquina '" Problema tomado de Internet.
manual y
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
316
TEORÍA Y LABORATORIO
5. Controlador Lógico Programable
3. Problema 3-. Se quiere automatizar el sistema de bandas transportadoras y plataforma móvil de la figura 5.138. El sistema permite recoger en una única banda de salida (Banda_S) los paquetes que provienen de tres Bandas transportadoras de entrada. (Bandal, Banda2 y Banda 3). Para ello el sistema se apoya en una cuarta cinta transportadora (Banda Plataforma) que se desplaza sobre unos raíles.
montada sobre una plataforma móvil
Además de los elementos ya indicados el sistema incluye:
BANDA 1
BANDA 2
BANDA 3
®®
BANDA S Figura 5.138.
Problema 5.8.3: Sistema de transporte
en bandas transportadoras
• Sensores P1, P2 (en la figura está bajo la plataforma) y P3: son finales de carrera que se cierran cuando la plataforma está en la posición adecuada para recibir un paquete de una determinada cinta de entrada. • Sensores C1, C2 y C3: son células fotoeléctricas que envían una señal lógica 1 cuando el paquete interrumpe el haz de luz. Su función es indicar que hay un paquete en la cabecera de la cinta. • Sensores CPE y CPS: son células fotoeléctricas como las anteriores. Indican que un paquete está situado a la entrada o a la salida de la cinta transportadora. • Sensores ED y El: son dos finales de carrera de seguridad que se abren cuando la plataforma alcanza los extremos de los raíles. • MC1, MC2, MC3, MPC Y MS son los motores que mueven las cintas transportadoras, siempre en el mismo sentido. MS es el motor de la cinta de salida. • MPT es el motor que mueve la plataforma en los sentidos derecho e izquierdo. El
funcionamiento en automático del sistema es el siguiente:
• Cuando un paquete llega a la cabecera de una cinta transportadora, ésta se para hasta que la plataforma móvil vaya a recoger el paquete.
.;:,.
AUTOMATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
317
TEORÍA Y LABORATORIO
Lógico Programable
• Una vez situada la plataforma delante de la cinta con paquete, se inicia la transferencia del paquete. Para ello se mueven simultáneamente la cinta con el paquete y la cinta de la plataforma. La cinta de la plataforma se para cuando el paquete está completamente transferido. • A continuación la plataforma se mueve hacia la cinta de salida. La plataforma para al alcanzar el sensor P2. •
El paso siguiente es el proceso de transferencia
forma que en la transferencia
del paquete desde la plataforma
Además al sistema se le imponen las siguientes condiciones en funcionamiento • Cada cinta de entrada está funcionando la plataforma móvil. •
a la cinta de salida de igual
de una cinta de entrada a la plataforma.
La cinta de salida está funcionando
automático:
si no hay un paquete esperando en su cabecera para ser transferido
a
siempre.
• Si hay más de una cinta de entrada parada esperando a la plataforma, el orden de prioridad en la atención es siempre Cintal, Cinta2 y Cinta3. •
Si no hay paquetes en las cintas de entrada, la plataforma permanece parada en la posición cinta de salida.
El sistema tiene un modo de funcionamiento manual supervisado, donde a través de pulsadores se pueden mandar directamente los motores. La supervisión consiste en no permitir al operador mover la plataforma fuera del rango marcado por los sensores Pl y P3. Los modos manual y automático se seleccionan mediante un conmutador en el pupitre de control. Además existe una parada de emergencia que se activa mediante una seta de emergencia en el pupitre de control, o mediante los finales de carrera de emergencia situados en los extremos de los raíles. Existe un pulsador de rearme (además del rearme de la seta de emergencia) mediante el cual el operador indica que ya no hay situación de emergencia. Automatizar el sistema aplicando la guía GEMMA: 1. Dibujar el GRAFCET del modo de funcionamiento
automático.
2. Definir el pupitre de mando y la lista de entradas/salidas
del PLC.
3. Confeccionar el GRAFCET final (o GRAFCETs) para contemplar el modo de funcionamiento la parada de emergencia. Efectuar el diseño de los GRAFCETS en forma estructural.
* Problema
manual y
tomado de Internet.
4. Problema. Proceso de mezcla y transporte de sustancias. El siguiente proceso mezcla material sólido suministrado por proveedores, con sustancias líquidas para obtener distintos productos. En la figura se ilustra el proceso con sus componentes; en pequeños círculos se explica el orden del proceso. G) El material sólido semitratado
es traído desde otras plantas distantes, así que es transportado
camiones. En la planta es descargado a depósitos subterráneos. básica, es un sólido compuesto de gránulos gruesos y finos. @ Mediante una banda transportadora
en
Este material, que es materia prima
BTl, el material es llevado a un silo (SIL01) y allí se deposita.
En este silo se tiene un sensor de nivel Sl_min, es decir que interesa que el silo esté alimentado continuamente. Sin que el material quede debajo de este nivel mínimo. G) Mediante un molino eléctrico que está en la parte inferior del SIL01, el material es lanzado sobre la
banda transportadora BT2. Esta cinta es realmente una cernidora, en donde el material fino cae hacia el SILO 4 mientras que el material grueso se lleva a la banda BTI.
AUTOMATIZACIÓN
5. @)
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
318
Controlador Lógico Programable
El material que cae sobre la banda BT3 es llevado a un túnel.
..tfo:
Figura 5.139.
®
Problema 5.8.4: Proceso de mezcla de sustancias líquidas y sólidos
Es un túnel en donde el material grueso que entra puede ser conducido a una de dos salidas o
ambas. La selección de la salida se hace mediante un mecanismo de compuerta electro-mecánico con tres posiciones. Si se escoge la posición de la derecha en el gráfico¡ indicada como Pos_2¡ el material es dirigido a la banda transportadora BT4¡ si la compuerta selecciona la posición de la izquierda¡ Pos_l¡ el material cae al SIL03. Al seleccionar la posición de la compuerta en Pos_3¡ el material es llevado a las dos salidas simultáneamente.
®
El material dirigido del túnel cae sobre la banda BT4 y de allí se transporta al SIL02.
(j) Se refiere a la parte del proceso en donde el material se lleva al SILOl a través de la banda BT1.
® Como se mencionó anteriormente¡ el sólido fino proveniente de la banda BT2 cae al SIL04. En este depósito¡ se dispone de dos sensores de nivel: S4_min y S4_max. Para efectos de la obtención de los distintos productos¡ la cantidad de sólido está tasado de acuerdo a estos dos niveles. Esta cantidad de sólido tasado se lleva al tanque de mezcla 1. Para el control de la salida del sólido fino del silo 4¡ se dispone también de una electro-válvula EV4.
® El material sólido que'proviene
de la BT4 se lleva al SIL02. En este silo¡ semejante al anterior, s~
dispone de dos sensores de nivel: S2_min y S2_max¡ de manera que se tasa la cantidad de sustancia
::;.';:;
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
319
5. Controlador Lógico Programable para ser llevada al tanque de mezcla 2. Dispone de la electro-válvula salida del sólido. @>
Es el SILO 3 a donde llega el material directamente
EV5, con la que se controla la
de la salida del túnel, cuando la compuerta de
este está en la posición Pos_l o Pos_3. Igual que los anteriores, dispone de los sensores de nivel S3_min y S3_max y de la electro-válvula EV6. El material de este depósito se lleva al tanque de mezcla
3. ®@@ Estos son dosificadores de sustancia líquidas necesarias para lograr la mezcla con el material sólido. Cada dispensador dispone de un sensor de pH, termómetro, sensores de nivel y electroválvulas de entrada y salida. El líquido es llevado a cada dispensador a una temperatura determinada (diferente a la de ambiente), temperatura adecuada para lograr la disolución del sólido; igualmente, cada líquido debe tener un pH específico de acuerdo a la especificación del producto final. Dependiendo de la temperatura y del pH, el producto final va a tener consistencias diferentes y características químicas particulares, es por esto la importancia de disponer de estos sensores y sus controles respectivos. Tener en cuenta para el desarrollo del diseño, que los líquidos vienen previamente calentados a una temperatura superior a la requerida y en cada dispensador, se tardará cierto tiempo hasta alcanzar la temperatura adecuada para ser llevada a los respectivos tanques de mezcla. Su pH puede estar ligeramente mayor al especificado, así que cada dosificador dispone de un alimentador auxiliar de líquido que posee un pH mayor que el que suministra los depósitos principales. Entonces, si el pH es diferente al especificado, se hace un ajuste fino con este alimentador hasta obtener el pH especificado. En cuanto a las electro-válvulas, cada dosificador dispone de tres a saber: EVll, EV21 y EV31 son electro-válvulas que controlan la salida de los tres líquidos hacia los tanques mezcladores, cuando se tiene la sustancia con la temperatura y pH previsto. EV12, EV22 Y EV32 son electro-válvulas que controlan la entrada de sustancia desde los tanques principales. EV13, EV23 y EV33 son electroválvulas que permite entrada de sustancia desde los alimentadores auxiliares para ajustar el pH. @@>
Son los tanques de mezcla en donde el material sólido se mezcla con las soluciones. Para ello
cada uno dispone de un sistema mezclador que es accionado por un motor. En esta parte del proceso es importante el orden de mezcla, la mezcla como tal y el tiempo en que tarda hasta obtener los productos finales. Al final, cada tanque dispone de una electro-válvula a través de la cual los productos finales son llevados al subproceso de empaque o almacenado.
Lista de componentes: Señales de entrada: Sensores. Sl_min: Sensor de nivel mínimo para el SILOl S2_min, S3_min, S4_min: sensoresde nivel mínimo para los silos SIL02, SIL03, SIL04, respectivamente S2_max, S3_max, S4_max: sensores mapa nivel máximo de los silos SIL2, SIL03, SIL04, respectivamente. Dl_min, D2_min, D3_min: sensoresde nivel mínimo para los dosificadores DOS1,DOS2 y DOS3. Dl_max, D2_max, D3_max: sensoresde nivel máximo para los tres dosificadores. T2, T3: sensores de temperatura para cada uno de los dosificadores S_pHl, S_pH2, S_pH3: sensores de pH para cada uno de los dosificadores. S_pH4, SyH5, SyH6: sensores de pH para cada uno de los tanques mezcléldores.
n,
Señales de salida: Actuadores: Ml: motor AC trifásico que produce movimiento de la banda BT1. M2: Motor AC trifásico que mueve el molino del SILOl M3, M4, M5: motores DC que mueven las bandas: BT2, BT3 Y BT4. Sólo trabajan en una dirección. M6, M7, M8: motores DC que accionan los mezcladores. Sólo operan en una dirección. Todos los motores EXCEPTOM2 tienen velocidad constante.
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
5. Controlador Lógico Programable
320
El motor M2 tiene un variador de velocidad, el cual se programa de acuerdo a la rapidez que se desea de material sólido para alimentar a la banda cernidora. Compuerta: mecanismo electromecánico operado con 12V tipo solenoide, del tipo mantenido, esto es, en cualquiera de las tres posiciones, permanecerá indefinidamente. EVll, EV12, EV13, EV21, EV22, EV23, EV31, EV32, EV33: electro-válvulas colocadas en los dosificadores. EV4, EVS, EV6: electro-válvulas ubicadas en la parte inferior de los silos SOL04, SILOS, SIL06. Especialespara manejar materiales sólidos. EV7, EV8, EV9: electro-válvulas colocadas en las salidas de los tanques mezcladores. Permiten paso de sustancias líquidas y coloides.
Características de los productos fabricados: Esta planta produce productos de consumo doméstico y su producción está de acuerdo a los pedidos, así que la fabricación es por lotes. Los productos finales son el resultado de mezclar la materia prima base que es el material sólido con sustancias químicas líquidas preparadas previamente. La calidad de las materias primas se asegura previamente en los laboratorios de la planta. El proceso de preparación y mezclado se hace con equipos de alta tecnología, asegurando que el producto final sea excelente calidad, asegurando, con estas cualidades un muy buen posicionamiento en el mercado. El material sólido se obtiene a través de proveedores que garantizan el abastecimiento y la calidad exigida en la fábrica. Este sólido no es uniforme pues trae partículas gruesas y finas. Esta característica permite que al mezclarlos con los químicos líquidos, se comporten en forma diferente, es decir, el resultado de diluir el sólido fino con un químico, es diferente de diluir el sólido grueso con el mismo químico. Esto permite que, previo un filtrado del sólido, se puedan obtener dos productos diferentes.si se mezclan con un mismo químico. . Para esta propuesta, se están fabricando 6 tipos distintos de mezclas, obteniendo dos variedades en cada uno de los tanques mezcladores; las especificaciones de estos productos se presentan en la siguiente tabla:
Características 0.4 3H DOS 1FINO 0.8 2.0 3.0 GELATINA 2H 2H 3H 1H 2H 230min 30min H DOS3 3H D052 DOS1 30min 4H 4GRUESO HFINO PRESENTACION PASTAGRUESO SH COLOIDE 1.S 1.0 SH pH PRODUcrO 5EMILIQUIDO SOOUnid/2S0g DOSIFICADOR
de productos fabricados SOOUnid/100gr TIEMPO PRODUCCIÓN
Los tiempos de producción se cuentan a partir de tener todos los tanques alistados (limpios), SILOl con material, BTl transportando sólido, programada la producción y dada la orden del operario de marcha del proceso (pulsador de marcha accionado).
Etapas iniciales del proceso:
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
321
5. Controlador Lógico Programable Los pasos previos a la fabricación orden de marcha.
son: Pre-alistamiento,
programación,
Alistamiento
y verificación,
• Pre-alistamiento: Generalmente al terminar la producción de los lotes de pedido, se hace una limpieza general de todos los elementos de la planta. En esta etapa: el SIL01 puede tener material almacenado, limpieza de la banda cernidora BT2, limpieza de las otras bandas, limpio el túnel, los dosificadores y alimentadores auxiliares completamente limpio, sin sustancia sobrante (se hace una purga de los tres depósito para asegurar absoluta limpieza), desocupar los silos 2, 3 Y 4, limpiar perfectamente los tres tanques de mezclado (limpieza a fondo como en los dosificadores). Se verifican todos los motores, asegurando que todas las partes que mueven lo hacen en forma fluida, sin intermitencias, verificar que el molino del SIL01 no esté trabado. Revisión de los sensores, tanto visual como de limpieza. En esta etapa se puede tardar hasta 2H y se realiza cada vez que se tenga que cambiar de productos, o cuando finaliza el último turno de trabajo. Es exigencia de las directivas que no puede quedar material dentro de los elementos de la planta de un día para el otro. • Programación: De acuerdo a los pedidos que se tengan en el departamento de mercadeo, se hace el calendario de producción. La producción de cada producto es por lotes de 500 unidades cada uno. Si el pedido no ajusta a la cantidad del lote, por ejemplo se requieren 1800 unidades de producto GRAD01, entonces se programan 4 lotes de este producto y los 200 sobrantes quedan en inventario. Ya que la demanda de productos es bastante alta (se distribuye al mercado nacional y se exporta) generaL mente se trabajan dos turnos para un total de 16H por día. En algunas ocasiones, de muy alta demanda, se programan horas extras o un tercer turno. Entonces, de acuerdo al pedido y los productos requeridos, se hace la programación correspondiente. Es importante asegurar que la cantidad de lotes programados se debe ajustar a las jornadas en que se tienen operarios, de acuerdo a la exigencia de la administración: no deben quedar materias primas sobrante dentro de los elementos de la planta, excepto si la programación requiere de tres turnos. • Alistamiento y verificación: Ya conocido el calendario de producción de las jornadas de trabajo, se tiene el alistamiento en donde: se dispone de las soluciones con el pH especificado en los tanques principales (no aparecen en el diagrama) se verifica que las soluciones se están calentando, soluciones con pH inferior al especificado en los alimentadores auxiliares de cada dosificador, materia prima de sólido suficiente en los depósitos subterráneos, verificar que todas las válvulas estén cerradas. Se puede hacer una verificación en vacío de algunas partes mecánicas de la planta, particularmente aquellas movidas por motores. • Orden de marcha: Cuando el operario supervisor recibe los reportes del paso anterior, da la orden de marcha. Esta orden. implica: movimiento de todas las bandas transportadoras, posicionamiento de la compuerta en el túnel, movimiento del molino y comienza la caída de material.
Proceso de fabrícación: Inicia llenado de los dosificadores cuando se llega a los niveles máximos en cada uno de ellos, se detiene la entrada, en forma simultánea se está controlando la temperatura y el pH, llenado de los silos hasta los niveles máximos; al llegar a estos niveles, las bandas se detienen. Una vez se tienen los niveles de sólido y sustancias líquidas, a los tanques mezcladores primero se vierten las sustancias líquidas, la cantidad completa para los lotes programados, luego, simultáneamente, entra el sólido y se inicia el mezclado. Para el sólido grueso, el tiempo de mezclado es mayor que para el sólido fino, además, el tiempo de mezclado para sustancia en pasta es mayor que para el coloide. Cuando las mezclas llegan al punto de especificación, se detiene el mezclado, la mezcla se deja un tiempo en reposo y se comienza el almacenado de los distintos productos. Hasta el momento se tiene cierta cantidad de lotes de cada producto. Si se requieren más lotes de los mismos productos, se hace una
AUTOMATIZACIÓN
5.
Controlador
INDUSTRIAL:
322
TEORÍA Y LABORATORIO
Lógico Programable
revisión rápida de todos los elementos y equipos de la planta, se verifica la sustancia sólida, verifica las sustancias líquidas en los depósitos principales y nuevamente se da la orden de inicio.
Controlmanual-automátíco-semíautomátíco: Para el diseño del panel de mando, el proceso puede tener partes manuales y automáticas. Manualmente se actúa: sobre el motor Ml en el caso que se trabe, sobre motor M2 del molino, la compuerta del túnel, todas las electro-válvulas en caso de emergencia. Debe haber algunos obreros que están limpiando periódicamente la cernidora, asegurando banda BTl siempre esté arrastrando material, todas las bandas estén en movimiento.
que la
Monitoreo de los indicadores de pH, temperatura,
niveles, de alarmas, señalizaciones.
El subproceso de embotellado no está incluido, tanques mezcladores se desocupen.
pero se supone que se debe hacer, para que los
Alarma~ señalízacíone~ averías: El panel de mando debe poseer todos los medios que indican falla. Alarmas: Se llegó al nivel mínimo en el SIL01, porque la banda BTl se bloqueó, se trabó el molino del SIL01, no está llegando material al SIL04, se trabó la compuerta del túnel, de detuvo alguna de las bandas, no se alcanza los niveles máximos en los silos se sobrepasan esos niveles. Se sobrepasa o no se alcanza el pH en alguna de las partes críticas, no se alcanza los niveles en los dosificadores, la temperatura allí no es la adecuada, no funcionan algunas electro-válvulas, etc. Señalizaciones: se deben disponer de las señalizaciones de todos los elementos de la planta, codificado con colores, en buen funcionamiento, señalización de cada falla en el punto en donde se produce, etc. Averías: paran los motores, se rompen correas, hay fugas, las electro-válvulas controles, etc.
no responden a los
A resolver: Se debe diseñar el programa que realice todo el proceso de acuerdo a como se ha descrito. Utilizar la guía GEMMA y el diseño de GRAFCET estructurado, el proceso.
para la realización del programa de todo
Diseñar el panel de mando incluyendo todas las alarmas, señalizaciones necesarias para el monitoreo y supervisión de todos los subprocesos de la planta. Describir las características de los PLCs que sean recomendables, manera que se pueda evaluar el costo de todo el proyecto.
computadoras,
software,
etc, de
A lo largo del enunciado del problema aparecen varios etc. De acuerdo a sus criterios, completar lo que falte para suprimir los etc. Sugerir de acuerdo a su experiencia, que se debe añadir, considerar, suponer, suprimir, proponer de acuerdo a sus criterios lo que crea necesario para que el proyecto sea óptimo.
en fin,
Cuánto cobraría a los directivos de la planta por realizar este proyecto, en cuánto tiempo cree que lo puede desarrollar y con qué otros profesionales y técnicos será necesario consultar. Proponga su equipo de trabajo. Fin ejercicio
5.8
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
323
5. Controlador Lógico Programable
5.11.
Conclusiones
Se ha estudiado uno de los equipos de más amplio uso en la industria y en algunas aplicaciones domésticas como es el Controlador Lógico Programable. Como se mencionó, es un sistema electrónico que tiene la capacidad de trabajar en ambientes agresivos tanto eléctricos como de polución, con alta fiabilidad y precisión. Su facilidad de programación lo hace adecuado en aquellas plantas en donde se produce gran variedad de productos y en donde se crean continuamente nuevos productos. La introducción de programas de alto nivel textual y gráfico como es el caso de la programación basada en Pasea/ y el GRAFCET, respectivamente, le permite controlar sistemas de alta complejidad, tanto discretos como continuos. Esta capacidad de programación ha permitido introducir controles tipo PID, controles análogos de preci_ sión y en las últimas generaciones de PLCs, la programación basada en reglas o de lógica difusa (Fuzzy /ogie). Con el avance moderno de sistemas de supervisión y control, soportados en las computadoras, es decir, los sistemas Seada, se han incluido en estos sistemas comple_ jos redes de controladores PLCs, con tareas dedicadas y no generalizadas. Los temas expuestos en este capítulo son apenas una introducción, dado lo complejo que puede llegar a ser un PLCs en todo su poder matemático y de programación. En lo referente a la GUíA GEMMA, es una metodología para el diseño de tableros de supervisión, control y alarmas, desarrollada en Francia; contempla todos los aspectos importantes del proceso que permiten seguir su funcionamiento con todo detalle y prever cualquier fallo o anomalía. Esta metodología se complementa con los diagramas GRAFCET permitiendo involucrar la seguridad y supervisión de la planta con la programación.
!
Es una parte del proceso imprescindible, obligada y necesaria. Así que dentro del diseño del proceso, también debe incluirse el diseño de estos tableros, por tal razón los ingenieros encargados de automatizar los procesos de fabricación, deben conocer y aplicar esta metodología. Hasta esta parte del libro se han combinado dos tecnologías importantes en los procesos de automatización industrial: la tecnología eléctrica y la electrónica. Quedan por discutir otras dos tecnologías, no menos importantes: la hidráulica y neumática. Est9s se estudian en próximos capítulos.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
324
6. Conceptos Básicos de Neumática
6. Conceptos Básicos de Neumática 6.1.
Introducción
Continuado con el estudio de las diferentes tecnologías utilizadas en los procesos de automatización industriales, en este capítulo se estudia la tecnología neumática e hidráulica. Sin entrar en el detalle de la física implicada en estos temas, ya que son aspectos estudiados en las áreas de física, interesa manejar la parte circuital, sus componentes y cómo se integran con las otras tecnologías para formar sistemas que permiten la automatización de una planta. Así que se integrará la parte eléctrica, PLC y las guías GEMMA con la tecnología neumática-hidráulica. La operación de los sistemas neumáticos es equivalente a la de sistemas hidráulicos.
6.2.
Principios Físicos del Aire
La base de funcionamiento de la neumática es el aire comprimido. El aire es una mezcla de diferentes gases, entre ellos el oxígeno. El aire contiene: • 78% de nitrógeno
• 20% de oxígeno
• 1.3% de argón
• 0.05% de helio, hidrógeno, dióxido de carbono, agua
Algunas definiciones físicas utilizadas al trabajar con aire: PESO ESPEdFICo.
Es el peso por unidad de volumen.
Para el aire es de 1.293Kg/m3 a ODCy a una atmósfera
de presión (lat).
PRESIÓN. Es la fuerza aplicada por unidad de superficie. Se expresa como:
P=F/S
(6.1)
PRINOPIO DE PASC4L: La presión ejercida en un fluido (líquido o gaseoso) encerrado en un recipien_ te, se transmite con igual intensidad en todas las direcciones. La figUfa 6.1 muestra un sistema cerra_
AUTO MATIZACIÓN
6.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
325
Conceptos Básicos de Neumática
do con cuatro pistones. Sobre uno de ellos se aplica una presión P = F/A. De acuerdo al Principio de Pascal, sobre cada uno de los otros tres pistones se desarrolla una presión igual, sin embargo, la fuerza ejercida sobre ellas al igual que sus superficies, son diferentes. Entonces:
= Pl = P2 = P3
P Así que:
F Fl F2 -=-=-=-
F3
A
A3
Al
A2
(6.2)
PAtm
T h
F2
.1___
PAb,
,1,
s
Figura 6.1.
Presión en distintas direcciones
Figura 6.2.
Medición de la presión relativa
ATMÓSFERA: Presión atmosférica normal (o altura barométrica normal). Es la presión de una columna de mercurio de 760mm de altura a nivel del mar. El valor de la atmósfera (at) es l.033Kgjcm2• Si se realiza el experimento de Torricelli con un tubo de sección lcm2, el volumen de la columna de mercu_ rio es: V= 76cm3. Yel peso de la columna es:
P
= 76 x
= l033gjcm2 = l.033Kgjcm2 = lAt.
13.596
Con el peso específico del mercurio de 13.596. PRESIÓN ABSOLUTA Y RELA71VA: El resultado de dividir toda la fuerza ejercida sobre los elementos de una superficie, da por resultado la presión. Esta presión se denomina presión absoluta y es medida con los barómetros. Todos los cuerpos normalmente están sometidos a la presión atmosférica. La diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica se denomina presión relativa y es la que se utiliza en el campo de la neumática; esta presión se mide con los manómetros. La figura 6.2 muestra una forma de medir la presión relativa. Se dispone de un tanque que contiene aire a presión en donde se ejerce una presión P; se deriva una tubería en forma de U de área S, con uno de sus extremos conectados al tanque y el otro extremo está al aire. Dentro del tubo se tiene algún líquido. Como se observa en la figura: Pabs > Patm. Por efecto de la presión absoluta la columna del líquido se desplaza quedando sus superficies a distinta altura. Entonces se deduce la fuerza que el gas ejerce sobre la columna: F
= Pabs S - Patm S
F = S (Pabs - Patm)
(6.3)
La diferencia de las dos presiones es la presión relativa, Luego: F
=
S Pr
(6.4)
CAUDAL: Es la cantidad de fluido que pasa por una tubería con una sección determinada unidad de tiempo. Se expresa como: Q=V
t
Con: Q el caudal en m3js, V el volumen y t el tiempo.
(6.5)
y en la
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
326
6. Conceptos Básicos de Neumática
Existen dos formas de expresar el caudal: • •
Caudal másico: se refiere a la cantidad de masa de un fluido que pasa por una sección en la unidad de tiempo. Caudal volumétrico: es el volumen de fluido que pasa por una sección en la unidad de tiempo.
Además de la ecuación anotada para el caudal, si se conoce la sección y la velocidad con que se desplaza el fluido, el caudal también se puede expresar como: Q = Sv
(6.6)
CALOR Y TEMPERATURA: Calor es la manifestación de la energía que provoca variaciones en algunas propiedades físicas de los cuerpos. El calor pasa de un cuerpo caliente a uno frío, hasta que seadquiere el equilibrio térmico (igual temperatura). El aire no tiene forma determinada y tiende a repartirse uniformemente dentro del recipiente que lo contiene. La presión de un gas encerrado en un recipiente se encuentra en equilibrio en todos los puntos de su masa y mantiene la misma presión en cualquier punto del recipiente. La densidad de un gas depende de su presión y temperatura.
El aire permite ser comprimido (compre_
sión) y tiene tendencia a la dilatación (expansión).
.'.
LEY DE BOYLE-MARIOTTE: A temperatura constante, la presión de un gas es inversamente propor_ cional a su volumen, es decir, el producto de la presión absoluta por el volumen es una constante para una determinada masa de gas . LEY DE GA Y-LUSSAC. El volumen de una determinada cantidad de gas varía proporcionalmente a la temperatura. A presión constante el volumen ocupado por un gas es proporcional a su temperatura absoluta. A volumen constante, la presión de un gas es proporcional a su temperatura absoluta. Entonces se cumple la siguiente relación:
V¡=T¡ Vl Tl Si la presión permanece constante y la temperatura va Iumen, Iuego:
(6.7) se eleva 1K (Kelvin), el aire se dilata 1/273 de su
(Tl Vn = Vn+ Vn---
T¡)
(6.8)'-'-"'"
.
T¡
En neumática es común indicar a la cantidad de aire la expresión: en condiciones norma/es, que significa: 1m3 de aire (lNm = 1m3 de aire a 273K (ODe) Y bajo una presión de 760 torr = 1.013bar (760torr == presión atmosférica normal referida al nivel del mar).
6.3.
Propiedades del Aire Comprimido
El aire, como todos los gases, es comprimible y compresible, es decir, es elástico. Dentro de un recipiente con capacidad de 1 litro, es posible introducir varios litros de aire gracias a que se puede comprimir y al liberarlo, vuelve a su volumen normal. Para comprimir el aire, se tiene que realizar un esfuerzo y será mayor cuanto mayor se quiera comprimir. Cuando el aire se libera a su estado normal, desarrolla una gran energía y es esta energía la que se utiliza para realizar los trabajos pesados. El aire que rodea todo el planeta también es atraído por la fuerza de gravedad de la tierra, lo que quiere decir que tiene peso; así es en efecto, el aire tiene un volumen e el espacio y tiene un peso específico.
327
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA. Y lABORATORIO 6. Conceptos Básicos de Neumática
Ahora, si a un recipiente se le extrae el aire (se hace vacío) y se pone al nivel del mar, sufre una presión de fuera hacia adentro igual a 1033.3 g/cm2• Suponer que se tiene un recipiente de forma cúbica de 10cm de longitud, entonces el área de cada cara es de 100cm2• Por tanto, la presión que soporta cada cara es de 100Kilos, así que el material de este cubo debe ser capaz de soportar 100 kilos de presión en cada cara para evitar que implosione. Pero ahora la situación es que al cubo considerado no se le saca el aire sino que se introduce aire en igual cantidad a su volumen: 1000cm3• Pero 1000cm3 son iguales a 1 litro, así que este recipiente tiene una capacidad de lit. Si mediante algún procedimiento se añade otro litro de aire, tiene ahora 21t de aire, entonces dentro del recipiente hay dos atmósferas de aire, de lit cada una. Realmente se considera una de las dos atmósferas, puesto que una es la que contie_ ne normalmente el recipiente y que equilibra la presión interna con la presión extec na, mientras que la segunda atmósfera se introduce en forma forzada, sobrepasando la capacidad normal del cubo y es, esta atmósfera, la que trata de salirse. Si se introducen 5 volúmenes adicionales al volumen normal, entonces el recipiente tiene en su interior 5 atmósferas (At) de presión. En otras palabras, la presión que tiene que soportar de dentro hacia fuera es de SKg/cm2• Si la cantidad de aire es 10 veces superior, entonces el recipiente debe soportar una presión de 10 At o 10Kg/cm2• Para el recipiente considerado con 10cm de lado, cada cara debe soportar una presión de 1000 kilos (10cm x 10cm x 10 Kg/cm2). Para soportar presiones tan elevadas, tanto interiores como exteriores, los recipientes de forma cúbica no son los más adecuados, puesto que sus paredes tenderían a redondearse, por lo que deberían tener paredes muy gruesas. Debido a esta deforma ción, se fabrican recipientes en forma cilíndrica con paredes redondeadas (la forma ideal es la esférica) y con paredes relativamente delgadas. Este recipiente constituye el primer elemento básico que, junto con el aire almacena_ do y que va a realizar trabajo, se inicia el estudio de la tecnología neumática. Es interesante ver la importancia que la neumática ha adquirido en el campo indus_ trial, entre otras razones, a que en la solución de algunos problemas de automatiza_ ción no puede disponerse de otro medio que sea más simple y económico. Las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad son: • Abundante:
Está disponible para su compresión en cualquier parte y en cantidades ilimitadas.
• Transporte:
El aire comprimido
puede ser fácilmente
transportado
por tuberías, incluso a grandes distan_
cias. No es necesario disponer tuberías de retorno.
• Almacenable:
No es preciso que un compresor
permanezca continuamente
puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar
• Temperatura:
El aire comprimido
ro incluso a temperaturas
extremas.
en servicio. El aire comprimido en recipientes (botellas).
es insensible a las variaciones de temperatura,
garantiza un trabajo segu_
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
328
6. Conceptos Básicos de Neumática
• Antideflagrante:
No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer
de instalaciones antideflagrantes,
• Constitución
que son caras.
de los elementos:
La concepción de los elementos de trabajo es simple.
• Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido y por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy eleva_ das (la velocidad de trabajo de cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones). • A prueba de sobrecargas:
Las herramientas
y elementos de trabajo
neumáticos
pueden llegar hasta su
parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.
Sin embargo, la utilización de la neumática presenta también problemas, tales como. • Preparación:
El aire comprimido
debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y
humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).
• Compresible:
Con aire comprimido
no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes.
• Fuerza:
El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700kPa (7bar), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000N (2000 a 3000kPa).
• Escape: El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales insonorizantes. • Costos:
El aire comprimido
es una fuente de energía relativamente
cara; este elevado costo se compensa en
su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento
(cadencias elevadas).
En las siguientes tablas se muestran algunas unidades adoptadas por el "Sistema internacional de medidas", o abreviado "51' y su relación con el sistema técnico.
PRESIÓN:
.•. Atmósfera (at) Presión absoluta en el sistema técnico de medidas 1 at = 1 Kp I cm2 = 0.981 bar (98.1 KPa ) Pascal (Pa) Bar (bar) Presión absoluta en el sistema de unidades 1 Pa
1 bar
=
=
1N
m2
105N -m2
10-5 bar -
=
5
10 Pa
=
1.02 at
.•. Atmósfera física (al) 1 atm
=
1.033 al
=
1.013 bar (101.3 KPa)
.•. Milímetros de columna de agua (mm de col de agua) 10000 mm ca = 1 at = 0.981 bar (98.1 KPa) .•. Milímetros de columna de mercurio (mm Hg) Corresponde a la unidad de presión Torr 1 mm Hg 1 al
=
=
1 Torr
736 Torr, 100 KPa (1 bar)
=
750 Torr
AL FICIE
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
329
6. Conceptos Básicos de Neumática
AVCUADRADO UNIDADES UNIDADES DERIVADAS Y KILOPONDIO V(OJ METRO METRO CÚBICO (at)(m2) ATMÓSFERA P (m 3/ (Kp) S)(m3) PRESiÓN(Kgf) FUERZA SISTEf,lA TECNICO kP / cm2 ) O (KILOGRAfAO F ABREVIATURA
DERIVADOS SISTEMA SI NEWTON
(N)
1 Kg·
1N
m
= ---
52 METRO CÚBICO (m3)
(m2)
METRO CUADRADO
(m 3/ S)
PASCAL 1 Pa
(Pa)
=
1 N
m2 BAR (bar) 1bar = 105 Pa
6.4.
=
100 KPa
Producción del Aire Comprimido
Para producir aire comprimido se utilizan compresor es que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimen tan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de la energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimL do viene de la estación compresora y llega alas instalaciones a través de tuberías. Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta -de los diversos tipos de compresores.
6.4.1.
Tipos de Compresores
Se distinguen dos tipos básicos de compresores: el primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo (oscilante o rotativo). El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa (turbina). B sigt;,Hentecuadro resume los tipos de compresores utilizados industrialmente.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
330
6. Conceptos Básicos de Neumática
Tabla de clasificación de los compresores
CC'm¡mtsor rotativo·
celular
6.4.2.
Compresores
Los compresores son máquinas que se utilizan para comprimir el aire. El más elemental es el compresor alternativo, pero para aplicaciones industriales se cons_ truyen máquinas autónomas que utilizan un motor eléctrico y que se denominan electro compresores.
La figura 6.3 muestra el dibujo del compresor alternativo común. Tiene gran similitud con los motores de combustión interna. Se compone de un cilindro y su culata con las correspondientes válvulas, una de admisión y otra de expulsión; un pistón provisto de segmentos para asegurar la compresión; una biela manivela (conversión de un movimi_ ento circular en rectilíneo alternativo) y un cigüeñal. Todo montado en un cárter que, a su vez, hace de depósito para el aceite lubricante.
ALETAS DE REFRIGERACiÓN
Figura
6.3.
Esquema (izquierda) y funcionamiento
(derecha) del compresor alternativo
común
Cuando por efecto del giro del cigüeñal el émbolo opistón desciende, se produce un vacío en el cilindro; este vacío fuerza la apertura de la válvula de admisión, normaL mente cerrada por el efecto de un muelle antagónico; al abrirse esta válvula penetra por ella aire atmosférico, que es obligado a pasar por un filtro con el fin de retener en él todas las partículas que puedan dañar la camisa del cilindro.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORlO
331
6. Conceptos Básicos de Neumática
Cuando el pistón alcanza el punto máximo inferior, todo el espacio dejado por el pistón se ha llenado de aire a la presión atmosférica. Se inicia el ascenso del pistón a consecuencia del muelle de la válvula de admisión y ayudada por el inicio de compre_ sión del aire del interior del pistón se cierra la válvula de admisión. En este caso no se produce la presión del interior del cilindro por introducir más aire del que cabe en él, sino que la presión se produce a consecuencia de reducir la capa_ cidad del cilindro cuando sube el pistón. Si se supone que cuando el pistón está en el punto más bajo, el volumen de aire absorbido es 112 Litro, y cuando el pistón se sitúa en el punto superior el volumen se reduce drásticamente, es natural pensar que el 112 litro de aire se ha tenido que comprimir. Al aumentar la presión del aire en el interior del cilindro cuando se va comprimiendo, también aumenta la fuerza por compresión que este aire ejerce. Cuando esta fuerza es suficiente para vencer al muelle que tiene la válvula de expulsión, esta se abre y el aire comprimido en el pistón sale rápidamente, a medida que el pistón sigue en ascenso. Cuando el pistón alcanza el punto superior, todo el aire que el cilindro había absorbido previamente, ha sido expulsado a muy alta presión. Luego, se repite un nuevo ciclo. Las aletas de refrigeración son necesarias porque el trabajo de comprimir aire, y en el momento de la compresión, se produce un calentamiento considerable del aire. Este efecto físico se debe a que al comprimirse el aire, como en cualquier gas, se produce una fuerte fricción entre sus moléculas; esta fricción es la que genera el calor que se manifiesta precisamente porque se calientan las paredes metálicas del compresor, en contacto con el aire comprimido. Los materiales con que se construyen estas máquL nas son muy resistentes, en especial los cojinetes, rodamientos y materiales de fric_ ción. La velocidad normal de estos motores es de 1500rpm, así que el pistón efectúa 1500 ciclos completos en un minuto significando que el compresor proporcionará, teóricamente, 750 litros de aire por minuto (1500 rpm x 112 ciclo). Existen otras máquinas de la misma familia de compresores que no son capaces de girar con esta velocidad,· entonces es necesario reducir de algún modo la velocidad del motor; el motor seguirá girando a 1500rpm, lo que se hace es acoplar el motor al compresor mediante dos volantes o poleas de diferente diámetro. Por ejemplo, supo_ ner que el compresor puede girar máximo a 500rpm y un motor eléctrico tiene una velocidad de 1500rpm, entonces al motor se acopla una polea de 10cm de diámetro y al compresor se debe acoplar una polea de diámetro tres veces mayor, es decir, 30cm. Para compensar la menor cantidad de aire que mueve al girar a menos revoluciones, se hace que en cada ciclo del pistón, el volumen de aire aspirado sea mayor aumen_ tando simplemente el diámetro, e incluso la carrera del pistón. El aspecto de estos compresores se muestra en la figura 6.4. Los radios del volante acoplado al compresor tiene una estructura tal que al girar impulsan una corriente de aire ambiente hacia el cuerpo y aletas del cilindro como si fuera un ventilador, de esta forma se aumenta el efecto refrigerador de las aletas y se mejora el rendimiento.
AOTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
6. Conceptos
Básicos
de Neu
á
332
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E~.pcc¡f¡;:ac¡')ne<:: Refc{{!nci~: i.~;::::';:DQ~ C6digo·¡c:nDO¡ C6digo dB balT~S' ?7ü70?,8105723 fJotor: 2 H? rr:¿"¡r;;,,
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Capacíd<'Jd del tanque: 2': Litro:s(634 f'abn6il' Cabel.ote
r
Amp<::raje
minimo Presión Pr~sjór: Caudal .caudal
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I
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lbomba}
Lubfic¡~jó!'i
por ¡:;::.ei!e. Mando
del circuito
renueddo.15 A de -'lrrem~ue. SS r-Si de deu:nc!on: 115 p~.l SCFfJ 9G PSI: 2.5 SCn.l@40 PSI. '3.5
e
Pese:
26.::' i-:{I Dimensiones t.\fJ;
r
~
565 x ¿SS x 550
¡ ¡
¡ ¡
Figura 6.4. (Observación: compresor.
Dos compresores
La especificación
altemativos
SCFM significa:
con relación de velocidad diferente y especificaciones
técnicas
Standard Cubic Foot per Minute, es la capacidad de aire que entrega el
Estándar porque se refiere a condiciones ambientales de referencia como: 1.01bar, a 16°C y 0% humedad relativa.)
t r
El depósito o recipiente colocado debajo del conjunto electro-compresor es el que recibe y almacena el aire aspirado y comprimido por el compresor y se denomina calderín. El volumen de aire que almacenan estos depósitos varía según la potencia del compresor y suele estar comprendido entre 50 y 500 litros de aire sin presión; los depósitos de mayor capacidad se instalan aparte del conjunto electro-compresor. Estos depósitos calderines se fabrican de manera que soporten sin compromiso presiones de aproximadamente 12Kgjcm2• Para aplicaciones en automatización no es usual compresores para más de 8Kgjcm2; en talleres se emplean compresores capaces de comprimir presiones mayores, incluso superiores a 15Kgjcm2• Obviamente para estos compresores los depósitos tienen que ser apropiados para soportar sin proble_ mas estas presiones. ofro sistema mecánico de comprimir el aire, o los gases, es el rotativo mediante paletas. La disposición se muestra en la figura 6.5. Un rodillo interior es el que gira movido por la fuerza del motor. Las paletas son arrastradas por el rodillo y expelidas hacia fuera del rodillo debido a la fuerza centrífuga; de esta manera se crean cámaras en las que el volumen varía siguiendo la curva de la carcasa fija de la máquina. Cuando las cámaras pasan por la zona de aspiración, su volumen crece a medida que avanzan, por lo que se crea un vacío que es llenado por el aire que penetra atrave_ sando un filtro adecuado. Una vez sobrepasan la zona de aspiración, las cámaras entran en la zona de compre_ sión; la compresión se produce porque las cámaras se reducen a medida que avan_ zan hasta llegar a la zona de salida donde la compresión es máxima por ser mínimo el volumen interior de la cámara, y de ahí es donde se toma el aire a presión. Estas máquinas tienen la ventaja respecto a las alternativas de no ser necesario colo_ caries ningún depósito o calderín y como es natural, el motor en este compresor sie pre está en marcha.
333
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 6. Conceptos Básicos de Neumática
-<:
Figura 6.5.
Fotos de compresores
ASPIRACiÓN
Compresor rotativo mediante paletas
comerciales (tomado de diferentes fabricantes.
Consulta en Internet)
Los compresores tienen que tener sus controles, principalmente es necesario contro_ lar la presión del interior del calderín y este control se hace con un presóstato. En la figura 6.6 se representa un sensor de este tipo. La entrada de aire a presión se conectada directamente mediante un tubo o conexión apropiada al depósito de aire comprimido, de manera que en el interior del fuelle existe la misma presión que en interior del depósito y este fuelle tiende a extenderse.
334
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 6. Conceptos Básicos de Neumá"ca
TORNILLO DE REGULACiÓN
MUEl.l....EOE PRESiÓN
MICRORRUPTOR
FUELLE
í ENTRADA DE Al RE A PRESiÓN
¡ Figura 6.6.
Esquema básico de un presóstato
I
I 1
Cuando la presión del interior del fuelle es suficiente como para vencer la resistencia del muelle, se extiende empujándolo y una placa solidaria con el fuelle llega a hacer contacto con el accionador del microrruptor, actuando sus contactos lo que hace que, eléctricamente, el motor se detenga. Cuando la presión se reduzca por debajo de la fuerza del muelle, este empujará al fuelle, que se encogerá, la placa libera los actua_ dores del micro-interruptor restableciendo sus contactos y conectando el motor reini_ ciando la compresión del aire. Con el tornillo de regulación se fija la fuerza del muelle, con lo cual se marca la pre_ sión a que el presóstato debe actuar. En los compresores de gran potencia no se hace que el presóstato actúe sobre el motor, sino que mediante una electro-válvula se actúa en un dispositivo neumático colocado en la culata del compresor, de manera que el aire aspirado es expulsado por la misma válvula de admisión sin comprimir. Con este sistema se consigue que el compresor trabaje en vacío, con lo cual el esfuerzo del motor es mínimo. En estos compresores, el motor está continuamente en marcha, pues es sabido que el consumo de los motores eléctricos es considerable en el momento del arranque, resultando que el consumo de energía eléctrica cuando el compresor está arrancando cada vez que el depósito reclama aire, es bastante mayor que si el motor está continuamente en marcha. Para determinar (monitorear) la presión en el tanque de un compresor se dispone de los manómetTos como el que se muestra en la figura 6.7. La constitución de los manó_ metros se basa en un pequeño tubo curvado que suele ser de cobre para aprovechar la elasticidad de este metal. Cuando el aire a presión entra dentro del tubo, tiende a enderezarse más cuanto mayor sea la presión; este movimiento se aprovecha para hacer girar, mediante cualquier dispositivo, una pequeña rueda, que, a su vez, arras_ tra a la aguja que sirve para indicar el grado de deformación del tubo. Entonces, el grado de deformación del tubo es proporcional a la presión del aire. E 0. '1gura 6.7, el tubo tira de un hilo arrollado al eje de la rueda; al enderezarse el , extrae hilo del.eje y obHga a este a girar arrastrando la aguja indicadora.
335
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 6. Conceptos Básicos de Neumática
Figura 6.7.
Esquema del manómetro
básico
Cuando la presión se reduce, el tubo retorna a su curvatura original y un resorte unido al hilo por el otro extremo, recupera el hilo cedido por el eje, con lo que la aguja retrocede en misma medida que el tubo se recupera.
Fotos de manómetros
6.5.
y presóstatos
comerciales. Tomado de Internet
Elementos adicionales del compresor
Se mencionan a continuación algunos elementos que se requieren para el tratamiento del aire y su adecuación dentro del compresor. No es el objetivo del ingeniero electrónico, profundizar en estos temas, que son más del perfil del ingenie_ ro mecánico. Se mencionan sólo portener idea de su existencia y necesidady porque algunos incluyen esquemas eléctricos, que son interesantes de analizar.~: Tratamiento del aire: Necesariamente, el aire que es tomado del ambiente debe ser tratado para poder llevarse a las cargas finales como válvulas, cilindros, reguladores, etc. Estos son dispositivos que requieren aire muy limpio y seco. Entonces el aire se debe secar y filtrar. Para tal fin se tienen diferentes técnicas encaminadas a efec_ tuar estas operaciones tan importantes.
Accionamiento: Se refiere al tipo de energía que alimenta al motor del compresor. En la mayoría de industrias, los motores son eléctricos, mientras que cuando se trata de compresores ejemplo en la construcción, los motores son de combustión (gasolina, diesel)
Reguladores. Se distinguen dos tipos de reguladores: de caudal y de presión.
móviles, por
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
336
6. Conceptos Básicos de Neumática
En la figura 6.8 se distinguen tres circuitos que permiten la regulación de caudal, es decir, mantienen constante el flujo de aire que pasa a la carga, por minuto.
Su descripción es la siguiente: a) Regulación por escape a la atmósfera (figura 6.8(A)). En esta simple regulación se trabaja con una válvula reguladora de presión a la salida del compresor. Cuando en el depósito (red) se ha alcanzado la presión deseada, dicha válvula abre el paso y permite que el aire escape a la atmósfera. Una válvula antirretomo impide que el depósito se vacíe (sólo en instalaciones muy pequeñas).
r
¡ f..
~ "
" II
LO
(A)
(8) Figura 6.8.
(C)
2l0-238VAC 60Hz
Reguladores de caudal
b) Regulación por aislamiento de la aspiración (figura 6.8(6)). En este tipo de regulación se bloquea el lado de aspiración. La tubuladura de aspiración del compresor está cerra_ da. El compresor no puede aspirar y sigue funcionando en el margen de depresión. Esta regulación se utiliza principalmente en los compresores rotativos y también en los de émbolo oscilante.
c) Regulación por intermitencia (figura 6.8(C)). Con este sistema, el compresor tiene dos estados de servicio (funciona a plena carga o está desconectado). El motor de accionamiento del compresor se detiene al alcanzar la presión Flujo_max. Se conecta de nuevo y el compresor trabaja, al alcanzar el valor mínimo f1ujo_min. Los momentos de conexión y desconexión pueden ajustarse mediante un presóstato. Para mantener la frecuencia de conmutación dentro de los límites admisibles, es necesario prever un depósito de gran capacidad.
Los reguladores de presión tienen como fin mantener la presión de trabajo (secunda_ ria) lo más constante posible independientemente de las variaciones que sufra la presión en la red (primaria) y del consumo de aire. Semejante al papel que desem_ peña un· regulador de voltaje en un circuito electrónico. Otros elementos importantes, están los sistemas de refrigeración, necesarios por el excesivo calor generado en el proceso de compresión defaire dentro del compresor, los acumuladores o depósitos que sirven para estabilizar el suministro de aire comprL mido y compensar las oscilaciones de presión en la red de tuberías a medida que se consume aire comprimido, el lubricador cuya misión es lubricar los elementos neumá_ ticos que tienen partes móviles como los cilindros y las válvulas. ( {
¡
¡
I I
Unidad de mantenimiento. Para la utilización del aire comprimido, se requiere de un proceso de purificación, regulación y engrase, que se logra mediante una unidad de mantenimiento, que debe ir montada en la entrada general de los circuitos neumáticos. Esta unidad tiene los siguientes objetivos: • Eliminar el agua condensada arrastrada por el aire a lo largo de las tuberías hacia los elementos de trabajo y dispositivos de mando. • Detener las partículas sólidas que contiene el aire comprimido en suspensión. • Regular la presión de utilización del aire comprimido con el fin de lubricar los elementos neumáticos.
AUTO MATIZACIÓN
6.
INDUSTRIAL:
337
TEORÍA Y LABORATORIO
Conceptos Básicos de Neumática
-Así que la unidad de mantenimiento • Filtro de aire comprimido
representa una combinación de los siguientes elementos: • Regulador de presión
• Lubricador de aire comprimido
La figura 6.9 muestra las fotos de dos unidades de mantenimiento FESTO, el símbolo general y simplificado y el esquema de la distribución de aire comprimido en una planta, en donde se observa la ubicación de la unidad de mantenimiento. También se muestra una foto de una instalación neumática industrial, con las unidades de mantenimiento.
INCLINACiÓN
l
_3% ~¡ .
UNIDAD DE
. ~,~~ ..
~.lANTENIJ,UENTO
"
f7¡.;' u
DEPÓSrro CONDENSACIÓN
Figura 6.9.
.
' CONSUM~DOR
DEPÓSITO AUXILIAR
COMPRESOR
'"u
LLAVE DE PURGA
Arriba: Fotos de la unidad de mantenimiento. Símbolo de la unidad Abajo: Instalación neumática en la planta con la unidad FESTO
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 7. Conceptos Básicos de Hidráulica
340
Es interesante determinar la fuerza que es capaz de levantar cuando en el brazo se aplica una fuerza de 20Kgf. Desde el punto de pivote hasta donde se aplica la fuerza manual la distancia es de 60cm, así qUe se determina la fuerza que hay desde el pivote hacia atrás con distancia de 3cm. Entonces:20Kgf x 60cm = F x 3cm De donde:
F
Aplicando el principio de Pascal:
~=~
= 400Kgf
SA
S6
El área para el diámetro menor des: O.78cm2 y el área para el diámetro
mayor Des: 12.S6cm2.
Con Fs = 400Kgf, Ss = 0.78cm2, y SA = 12.S6cm2, reemplazando en la relación se- obtiene la fuerza obtenida FA = 6400Kgf. Y esta es la fuerza que es posible levantar con el gato hidráulico.
." s
f
~
En cuanto a la distancia desplazada, si se desea que la carga F (Fs) se desplace una distancia h, es necesario que el émbolo de la derecha se desplace una distancia hi. Entonces, el volumen desplazado de fluido necesario en ambos émbolos es el mismo, es decir:
¡ t
Y=hA Con: Vel volumen de fluido desplazado, h la distancia desplazada y A el área sobre el que se aplica la fuerza. Para el gato hidráulico se tiene: Yl
= h SA Y
Y2
= hi Ss
h SA = hi Ss
Igualando: Si se desea desplazar la carga h manualmente es:
= Scm, entonces la distancia que el hombre debe desplazar el émbolo hi
= h SA = 80.Scm S6
De acuerdo a esta teoría física, si dentro del sistema se presenta una diferencia de áreas y la fuerza es igual en cualquier punto, entonces se tendrá una diferencia de presiones. Este principio se aplica en un dispositivo hidráulico denominado cilindro.
CILINDRO
'
P11J\,
F
VÁSTAGO
,<'T-
F VÁSTAGO
Figura.7.2.
Izquierda:
Cilindro de doble efecto.
Derecha: Vista frontal del vástago
La figura 7.2 izquierda ilustra un cilindro de doble efecto. Contiene una cámara a la izq "er a con área Al y una cámara a la derecha con un área efectiva A2, en donde Al > A2. El vástago sale o entra del cilindro dependiendo en donde se aplique la pre_ si' e aceite; por ejemplo, si el vástago está adentro del cilindro (como en la figura) al
341
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 7. Conceptos Básicos de Hidráulica
aplicar la presión de aceite por la entrada de la izquierda, el vástago sale y para introducirlo, el flujo de aceite se aplica por el lado derecho. La fuerza ejercida por el aceite en cualquier punto es igual, así que cambia el área sobre la que se ejerce y la presión. La diferencia de áreas es debida al espacio ocupado por el vástago como se observa en la figura 7.2 a la derecha. De la ecuación:
F
=
Para la cámara de la izquierda:
F
= Pl Al
Y para la cámara de la derecha:
F
= P2A2
Igualando se tiene:
Pl Al
PA
= P2A2
Considerar para el cilindro de la figura 7.2 que Al = 8cm2 y A2 = 4.5cm2 y la presión aplicada en una de sus entradas es: Pl = l06N/m2. La presión en la otra salida P2se determina de: Pl Al = P2A2 Despejando se obtiene: Traduciendo
P2 = 1.78xl06 N/m2
las presiones a bar, Pl = lObar y P2 = 17.8bar.
El área del cilindro por el lado en donde está el vástago es el área de la cámara menos el área del vástago. Se puede deducir que si no se tiene el vástago, entonces Al = A2T lo que significa, de los datos, que el área del vástago es: Al - A2 = 3.5cm2.
Otra expresión física asociada a la hidráulica es el Caudal. Se define caudal como el volumen de fluido que se desplaza por una tubería o dispositivo en un tiempo deter_ minado; la ecuación que define el caudal se expresa como: Q=V Donde: Qes el caudal en Iitros/min (lfmin),
(7.3)
t
Vel volumen en cm3 y tel tiempo en minutos.
De la cinemática, la velocidad se define como: v como: Q =v S
= s / t, luego el caudal también se puede expresar
Con: vla velocidad en mis y Sla superficie en cm2. Considerando que la carrera del émbolo en el cilindro de la Figura 7.2 es de desplazamiento del vástago cuando sale del cilindro). El área del émbolo es debe suministrar la bomba de aceite para que el émbolo salga, por ejemplo, partir de la expresión: V = Ad, con A el área y dla carrera, entonces el caudal V Ad 3 Q=- == 5.33 cm /s
t
20cm (la carrera es el de 8cm2. El caudal que en 30s se determina a se puede escribir como:
t
El caudal de un fluido que circula por tuberías de diferentes diámetros es igual en cualquier punto, lo que cambia es su velocidad de desplazamiento, así se cumple que: Q = vlAl = V2A2 = V3A3 = ...
Otro aspecto a considerar en el estudio de los sistemas hidráulicos es la Potencia y Eficiencia.
Físicamente se define potencia como el trabajo o cambio de energía realizado en la unidad de tiempo. Para los sistemas hidráulicos, la potencia está determinada por la presión y el caudal volumétrico.
342
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 7. Conceptos Básicos de Hidráulica
La ecuación:
P
=pQ
Define la potencia hidráulica, en donde: p es la potencia en vatios (wo Nmjs), p es la presiónc hidráulica y Q es el caudal volumétrico. Considere el sistema hidráulico mostrado en la figura 7.3.
DES PLAz,v.1 Da
ENTO DESPLAZAMIENTO
VÁSTAGO
DEL VÁSTAGO CILINDRO EFECTO DOBLE
DESPLAZAMIENTO DE LA CARGA
DESPLAZAMIENTO DE LA CARGA
ACCIONAMIENT0..L.. DE LA PALANCA
o
"""1""""
MANÓMETRO
,-------1--------: I
---------, r-----------------
""
---------,
, ,
I , I
~,I I , , I ,
I
I, _______
UNIDAD
DE ALIMENTACiÓN
.
-
- -
1
HIDRÁULICA
Figura 7.3. Circuito hidráulico
El circuito contiene la unidad de alimentación hidráulica que es la encargada de suministrar el aceite a todo el circuito hidráulico y de recibir el aceite de retorno (semejante al desplazamiento de la corriente en un circuito eléctrico). En esta unidad, el motor desarrolla una potencia eléctrica: p = 2 mento de la fuerza.
7I
n M,
con M el mo_
La bomba hidráulica se encarga de impulsar el aceite hacia el circuito hidráulico, luego allí se desarrolla una potencia mecánica y una potencia hidráulica dada como: P=pQ
Luego, el vástago del cilindro desarrolla una potencia mecánica dada como
P
=
F v.
Obviamente la potencia de entrada no es igual a la potencia de salida, debido a las pérdidas. La relación entre estas potencias define el grado de eficiencia: Po =-x " Pi
n
100%
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
343
7. Conceptos Básicos de Hidráulica
Además se distingue entre las pérdidas por fugas y las pérdidas por las fricciones, así que se definen dos diferentes grados de eficiencia: Grado de eficiencia volumétrica que es el resultado de las fugas internas y externas y el grado de eficiencia hidráulica y mecánica, que es causado por la suma de fricciones en motores, bomba y cilindros. Se considera empíricamente que las pérdidas pueden estar entre el 25% y el 30%, así que para un 100% de potencia de entrada, se obtiene un grado de eficiencia entre el 70% al 75%. Esto es muy relativo y depende de los dispositivos utilizados en el proceso y de su número; para mayor seguridad es necesario consultar las especifi_ caciones de fabricante de los distintos dispositivos utilizados en el circuito hidráulico.
7.3.
Aspectos Generales
La hidráulica ocupa un espacio importante en el campo industrial, complementándose con otros tipos de tecnologías como los neumáticos, eléctricos, electrónicos y mecánicos. Las aplicaciones se pueden clasificar en dos formas: aplicaciones estacionarias y aplicaciones móviles. En las primeras no se producen desplazamientos y el acciona_ miento de sus dispositivos es automático, basándose en electroválvulas. En las aplicaciones móviles existe desplazamiento mediante cadenas o ruedas y el acciona_ miento generalmente es manual. La hidráulica estacionaria tiene aplicación, entre otras: • • • • •
Maquinaria de producción y montaje. Vías de transporte Prensas y cizallas. Maquinaria para inyección. Laminadoras
• • • • • • • •
Industrial del Metal: máquinas herramientas como tornos y fresadoras, mandrinadoras, rectificadoras, Industria siderurgia Industria eléctrica: en turbinas e interruptores de alta presión. Industria química: mezcladores y en ambientes explosivos. Industria electromecánica: hornos, tratamientos térmicos, soldaduras automáticas. Industria textil: máquinas de estampado y telares. Industrias de la madera yel papel: máquinas continuas, rotativas, impresoras y periódicos. En maquinaria agrícola, barcos, aviones, etc, etc. ..
etc.
Para los campos de la hidráulica móvil se tiene: • • • •
Maquinaria para la construcción Volquetas, palas mecánicas, plataformas Sistemas de elevación y transporte. Maquinaria para la agricultura.
de carga.
Considerando otras tecnologías capaces de generar fuerzas, movimientos y señales, como: Mecánica, Electricidad y Neumática y comparándolas con la hidráulica, se obtienen las siguientes ventajas de la hidráulica: • Transmisión rendimiento. •
de fuerzas considerables
Posicionamiento
exacto.
con elementos
de pequeñas dimensiones,
lo que significa
un alto ¡/IfJ>:
344
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 7. Conceptos Básicos de Hidráulica • Arranque desde cero con carga máxima. • Movimientos homogéneos e independientes de la carga, ya que los fluidos men, además de poder utilizar válvulas reguladoras. • Trabajos y conmutaciones suaves. • Buenas características de regulación y mando. • Condiciones térmicas favorables.
prácticamente
no se comprL
Sin embargo, la hidráulica presenta algunas desventajas respecto de las otras técnicas de trabajo: • •
Contaminación del entorno por fugas de aceite. Sensibilidad a la suciedad.
• • •
Peligro ocasionado por las altas presiones. Dependencia de la temperatura (cambia la viscosidad) Grado limitado de eficiencia
Las presiones
más empleadas en hidráulica industrial son:
• Baja presión: 20 a 60bar en máquinas herramientas. • Media presión: 60 a 100bar en siderurgia. • Alta presión: más de 120bar en plásticos, entre 150 a 700bar en prensas, maquinaria agrícola y maquinaria para la construcción.
El fluido utilizado en la hidráulica es el aceite. Los aceites hidráulicos cumplen con dos funciones: • Transmiten energía • Lubrican los dispositivos hidráulicos.
Adicionalmente cumplen con otras funciones como: protección contra oxidación y corrosión, no hacer espuma, separan el agua del aceite y conservar su viscosidad dentro de un margen de temperaturas. Los aceites hidráulicos son aceites minerales refinados.
Figura 7.4. Diagrama pictórico del gato hidráulico
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
345
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos Neumáticos
8.1.
Introducción
Una vez se han dado los rudimentos y conceptos básicos de la hidráulica y neumática, ahora se detallan los distintos dispositivos que son accionados mediante el aceite y el aire; se estudia su funcionamiento y la disposición de sus circuitos inter_ actuando con la electricidad y la electrónica mediante los PLCs. Esta es la parte que interesa más al ingeniero electrónico. Indistintamente se trate de hidráulica o neumática, todos los dispositivos (cilindros y válvulas) tienen igual funcionamiento y los circuitos de mando y control, sean eléctri_ cos o electrónicos, van a accionarlos en igual forma, así que en adelante no se espe_ cifica si se trata de aplicación hidráulica o neumática, salvo en donde se requiera.
8.2.
Cilindros
La energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos o hidráulicos, en movimiento de giro. Los elementos que trabajan en sentido longitudinal son los cilindros (neumátL cos N o hidráulicos H). Para accionar los cilindros se utiliza el aire o aceite y el retorno puede hacerse también con aire o aceite o mediante un muelle (resorte), O cualquier accionamiento externo. Dependiendo de cómo se efectúa el retorno, se tienen dos tipos de cilindro: • Cilindro de simple efecto • Cilindro de doble efecto.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
346
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
,-
Cilindros de simple efecto Estos cilindros tienen una sola conexión de aire. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Entonces para que el vástago (o pistón) salga se aplica el aire y para que el vástago retorne se dispo_ ne de un muelle incorporado o de una fuerza externa. El muelle incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velo_ cidad suficientemente grande. En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, su longitud limita la carrera (el desplaza_ miento efectivo del vástago). Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100mm. Se utilizan principalmente
para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.
En la figura 8.1 se ilustra un esquema de la estructura interna, indicando las partes que lo componen. Como se observa en la figura, el fluido (aire o aceite) entra por la cámara izquierda y empuja al émbolo venciendo la resistencia del muelle haciendo que el vástago salga.
MueHe
Entrada Aire o Aceite
Junta
Embolo
í
escurr-evé_stagos
)
í
Cuiata
j Culata
I
¡
i
Vástago
¡
Tirante
Cu~rpo
J¿nla áe lab~os
Juntas t6ricas
Figura 8.1.
Figura 8.2.
Estructura interna de un cilindro de simple efecto
Aplicaciones prácticas de los cilindros de simple efecto
Si suprime la entrada de fluido, el muelle repone su estado de reposo, retornando el vástago al interior del cilindro. La figura 8.2 ilustra algunas aplicaciones prácticas de los cilindros de simple efecto.
AUTO MATIZACIÓN
8. Dispositivos
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
347
y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
La figura 8.3 muestra el símbolo del cilindro de simple efecto. En la figura se tiene: (A) (B) (C)
Cilindro de simple efecto con retorno por acción de fuerza externa Cilindro de simple efecto con retorno por muelle Inyecta fluido en la cámara izquierda del cilindro; las flechas indican que por efecto del fluido se ejerce una fuerza sobre el émbolo empujando el sistema hacia la derecha. (D) Estando el vástago afuera, la fuerza del muelle hace que el sistema mecánico retorne hacia la izquierda.
•• -. '-' 1 .•.•. . :-ll~ 1I
(A)
(c)
(8)
Figura 8.3.
(D)
Cilindros de simple efecto: Símbolos y su operación
Cilindros de doble efecto Son los más empleados y el fluido actúa en ambas cámaras La fuerza ejercida por el fluido en cilindros de doble efecto, permite que el vástago pueda realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno. La figura 8.4 muestra un esquema interno del cilindro. Para que el vástago se desplace en ambas direcciones es necesario que una de las cámaras esté alimentada y la otra esté en estado de escape (para el aire) o tanque (para el aceite)
Cámara izquierda Tapa o culata! ¡Juntas ¡
Camisa o cuerpo Cojinete -
I
Entrada/salida de aire o aceite
'-Embolo
Figura 8.4.
Los cilindros de dobIe~f~ctp
Cámara derecha
Entrada/salida de aire o aceite
Esquema del cilindro de doble efecto
comparados con los de simple efecto presentan algunas ventajas:
1. Pueden realizar esfuerzos en ambas cámaras. 2. 3. 4. 5.
Las carreras son mayores, pues se aprovecha prácticamente toda la longitud del cuerpo del cilindro. No necesita de esfuerzo para comprimir un muelle por no tenerlo. El retroceso del vástago no depende de las cargas o elementos mecánicos. El funcionamiento y su posicionamiento se pueden ajustar con mayor precisión.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
348
La figura 8.5 izquierda muestra una vista más simple del cilindro de doble efecto y en la de_ recha se presenta una foto de un cilindro FESTO.
Figura 8.5.
Cilindro doble efecto. (Izquierda)
Conexiones (Derecha) Foto de cilindro FESTO
Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbo_ lo tiene que realizar trabajo también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago cuando está afuera, si es demasiado largo. Si al cilindro se le introduce fluido por una de sus cámaras como muestra la figura 8.6, el fluido empujará el émbolo y hará que el vástago salga.
Figura 8.6.
Movimiento del vástago en un cilindro doble efecto
La cámara opuesta será el retorno, es decir, irá al tanque. Para volver el vástago a su interior, será necesario introducir fluido por la otra cámara. Por lo que se tiene que entrar fluido en los dos sentidos; es la razón del nombre de cilindro de doble efecto.
Cálculo de la fuelZa de un cilindro La fuerza que puede desarrollar un cilindro está dada por la relación directa de la superficie del émbolo y la presión fluido (aire comprimido o aceite). Cuando se solicita un cilindro al fabricante se deben suministrar dos parámetros: diámetro en mm del cilindro y que corresponde al émbolo del cilindro y la carrera del cilindro también en mm, entendiendo que la carrera es la longitud total que tiene que alcanzar o salir el vástago. Por ejemplo, se tiene un cilindro con 100m m de diámetro, entonces el área total de! émbolo es de 7854mm2 o 78.54cm2 ( n(D/2)2).
-;;.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
349
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Suponga que este cilindro se coloca en un sistema de automatización donde la presión de aire comprL mido (sistema neumático) es de 6Atm (6Kgjcm2), entonces la fuerza que se ejerce sobre este cilindro
es: F = P S = 471.24 Kilos En otras palabras, si coloca el cilindro verticalmente y sobre el anclaje se fija un peso de aproximada_ mente 741 Kilos, el cilindro será capaz de levantar ese peso. Es importante tener en cuenta que este peso lo puede mover cuando el vástago sale del cilindro, porque cuando el vástago entra la fuerza es menor. Para calcular la fuerza que puede hacer el vástago cuando entra en el cilindro es necesario conocer la sección del vástago y restarla de la sección del émbolo. Para el ejemplo, suponer que el vástago tiene un diámetro de 18mm o 1.8cm, por lo que el área del vástago es de 2.545 cm2• Entonces el área efectiva es: 78.54cm2
-
2.545cm2
<':j
76cm2
Yel peso que puede mover cuando entra el vástago al cilindro es: 76cm2 x 6Kjcm2
= 456K
Para efectos prácticos, se debe dimensionar el peso que va a maniobrar el cilindro en un 30% menos del calculado teóricamente. Otro parámetro útil es el de la carrera del vástago, porque junto con el diámetro del émbolo, permite conocer el consumo total de aire del cilindro. Este cálculo es importante, porque sumando el consumo de todos los cilindros que tenga una planta se puede dimensionar la potencia total del compresor que tiene que alimentarla. Para calcular el consumo de un cilindro se utiliza la siguiente ecuación: Q
=--S(P+1) 1000
L L'tI ros
Con: Qconsumo en litros de aire libre del cilindro en un semiciclo, Sel área útil del émbolo en cm2, P la presión de trabajo del aire comprimido en Kjcm2, L la longitud de la carrera del vástago en cm. Se entiende como un ciclo de trabajo el desplazamiento que hace el vástago en salir y entrar al cilindro. Para el ejemplo considerado, suponer que la longitud de la carrera del vástago es de L Reemplazando con S = 78.54cm y P = 6Kgjcm2 se obtiene Q = 16.491t. Para que el vástago salga completamente 16.5 litros de aire.
= 30cm.
(primer semiciclo), el cilindro consume aproximadamente
Igualmente, el cilindro tiene que volver a entrar (segundo semiciclo), luego también tiene consumo de aire, así se tiene: L = 30cm, S = 76cm2, P = 6Kgjcm2, reemplazando se obtiene: Q = 15.959 litros. En todo el proceso el cilindro requiere para operar normalmente:
Q
<':j
32.5 litros de aire.
Cuando se utilizan cilindros de simple efecto, se tienen en cuenta las siguientes consideraciones: 1. En estos cilindros para el cálculo de la fuerza hay que tener en cuenta la resistencia del muelle. 2. En estos cilindros para el cálculo del aire consumido solo se tiene en cuenta cuando el vástago sale. 3. Los cilindros de simple efecto tienen una mayor longitud que los de doble efecto para la misma carrera de vástago, puesto que se tiene para los primeros el espacio ocupado por el muelle cuando está comprimido, dimensión que no se tiene en cuenta en los cálculos anotados.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
350
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Longitud de la carrera: La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con émbolos de gran tamaño y carrera larga¡ el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de fluido. Cuando la carrera es muy larga¡ el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía es dema_ siado grande. Para evitar el riesgo de pandeo¡ si las carreras son grandes deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal. Además, al prolongar la carrera la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora la guía del vástago.
Velocidad del émbolo: La velocidad del émbolo en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista de la presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento de mando. Además, influye en la velocidad la amortiguación final de carrera. La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0.1 y 105m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10m/s. La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de estrangulación, rretorno y las de escape rápido proporcionan velocidades mayores o menores.
antL
Válvulas
8.3.
Para introducir el aire a las cámaras de los cilindros/ se requiere de las VÁLVULAS. Se dispone de una gran variedad de válvulas, accionadas (pilotadas) manual/ mecánica, electrónica y mediante algún f1uido/ con diferentes combinaciones de en_ trada y salida de aire y con distintas funciones en los circuitos neumáticos. Las válvulas en general cumplen las siguientes funciones:
4
4
4
4
Mandan o regulan la puesta en marcha o parado de un circuito. Regulan presión. Regulan caudal. Dirigen el fluido (aire o aceite) en la dirección que se haya fijado previamente.
En lenguaje internacional, el término «válvula» O «distribuidor» es el término general de todos los tipos tales como válvulas de corredera, de bola, de asiento/ grifos, etc. Según su función las válvulas se subdividen en 4 grupos: 1. 2. 3.
Válvulas de vías o distribuidoras Válvulas de presión. Válvulas de cierre.
4.
Válvulas de bloqueo.
8.3.1.
Válvulas Distribuidoras
Estas válvulas son las componentes que determinan el camino que ha de tomar el fluido, principalmente puesta en marcha y paro. Para representar las válvulas distribuidoras en los esquemas de circuito se utilizan símbolos; éstos no dan ninguna orientación sobre el método constructivo de la válvu_ la; solamente indican su función.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos áticos
i;;
351
•_
En esta descripción se di
e:
4 Las vías: es el número de 4 Las posiciones: son las que
.~ ·os exteriores y que son conexiones a los puntos de trabajo. ede adoptar el distribuidor para dirigir el fluido a las distintas vías.
Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados La cantidad de cuadrados (figura 8.7(B) y (H)) indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora. El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (figura 8.7 (C), (G), (1), (J)). Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas! el sentido de circulación del fluido (figura 8.7(C), (D), (F), (1), (J)). (figura 8.7(A)).
D
OJ (8)
(A)
(C)
(D)
b
a
~ (H)
(G) Figura 8.7.
Simbología para las posiciones de las válvulas distribuidoras
Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transver_ sales (figura 8.7(D), (F), (G), (I), (J)). La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto (Figura 8.7(D)). Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casL lIa que esquematiza la posición de reposo o inicial (figura 8.7(E), (1), (J)). La otra posL ción se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados! hasta que las conexiones coincidan. Las posiciones pueden distinguirse 8.7(G), (H))
por medio de letras minúsculas a/ b/ c... y o (figura
válvula de 3 posiciones: Posición intermedia
= Posición de reposo (figura 8.7(H)).
Por posición de reposo se entiende aquella posición que las piezas móviles ocupan cuando la válvula no está conectada.
(A) Figura 8.8.
(6)
(e)
Esquema de tres válvulas distribuidoras
352
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Los conductos de escape sin empalme de tubo (aire evacuado a la atmósfera para el caso de neumática) se identifica con un triángulo directamente junto al símbolo (figura 8.8(A)). Conductos de escape con empalme de tubo (aire evacuado a un punto de unión) se mues_ tra con un triángulo ligeramente separado del símbolo (figura 8.8(8)). Para el retorno de aceite (para hidráulica) se utiliza el símbolo indicado en la figura 8.8(C). Para evitar errores durante el montaje, los empalmes se identifican por medio de letras mayúsculas (o minúsculas), así se tiene: • • • •
Tuberías o conductos de trabajo Al 61 c... Empalme de energía P Salida de escape RI SI T Tuberías o conductos de pilotaje Zl YI X ...
Descripción
y F...uncionamientode Algunas
A continuación funcionamiento.
Válvulas Distribuidoras
se describen algunas de las válvulas, su estructura interna y Se inicia con una válvula 2/2 (2V/2P) cerrada en reposo (cerrada significa
que no hay paso de fluido a través de la válvula y la carga no recibe fluido. Abierta significa que pasa fluido a través de la válvulal luego la carga recibe el fluido).
La figura 8.9 ilustra esta válvula.
,
(C)
p Válvula 6ccionada Válvula en reposo
Figura 8.9.
Estructura de una válvula 2/2 y conexión a un cilindro
En la figura 8.9(A) se ilustra el esquema interno de la válvula en la que se observa que una bola obstruye el paso del fluido desde la fuente hacia la salida A. Se les conoce como válvulas de asiento esférico, porque la esfera está obstruyendo la cámara superior (el asiento) debido al muelle y al aire a presión. Cuando se acciona el pulsador, la fuerza ejercida sobre este debe vencer la resistencia del muelle y del aire a presión y, en esta forma, el aire puede pasar al conducto A como se indica en la figura 8.9(8); este estado activo se mantiene mientras se mantenga presionado el pulsador ya que una vez se libere el pulsador, la válvula retorna a su estado de reposo. La figura 8.9(C) presenta el símbolo de la válvula como se coloca en los circuitos hidráulicos o neumáticos. En las figuras 8.9(D) y (E) se ilustra el funcionamiento
conectando un cilindro de simple efecto.
353
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
A
y
.'
A A
t==[EJ:sJ\¡\/\; p
R
.•....P
Válvula accionada Válvula en repo_sD
(D)
Figura 8.10.
Estructuras de válvulas 3/2 y conexión a un cilindro
Situación semejante a la analizada se presenta con una válvula 3/2 como se muestra en la Figura 8.10 La válvula 3/2 es una válvula que contiene dos cámaras y en cada cámara tres aberturas. Esta válvula se puede utilizar en el mando de otras válvulas mayores, por ejemplo una válvulas 5/2; también se utiliza para comandar cilindros de simple efecto. La Figura 8.10 muestra: (A) y (8) el símbolo y el esquema de funcionamiento de una válvula 3/2 cuando es pilotada por accionamientos Yy Z (C) es el esquema de funcionamiento de la válvula 3/2 cuando se pilota manualmente y el retorno es por muelle y el símbolo correspondiente. (D)(E) muestra la válvula actuada manualmente cuando se conecta a un cilindro de simple efecto; allí se ilustra su funcionamiento. (F) es la foto de una válvula 3/2 de FESTO. Retomando la Figura 8.10(8), compresor y sale por A hacia en el cilindro o la otra válvula dando bloqueade> al interior
cuando se pilota por Z hay paso de fluido a presión desde la bomba o el cilindro o hacia otra válvula; cuando se pilota por Yel fluido contenido pasa al tanque o retorno y no hay paso del fluido a presión que_ de la válvula.
EjerCicio 8.1 Explique el funcionamiento
de las válvulas mostradas en la figura 8.11 y conéctelas a cilindros.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
354
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
z
A
Figura 8.11.
p
(C)
(8)
(A)
R
Esquemas de válvulas 3/2 para el ejercicio 8.1
Fin
ejercicio 8.1
Considere una válvula 4/2; significa que tiene cuatro orificios y dos cámaras (en cada cámara tiene cuatro orificios) como la que se indica en la figura 8.12(A). Contiene accionamientos (pilotos) en ambos extremos que, como se anotó, pueden ser manuales, electrónicos, etc. Lo que hacen estos accionamientos es cambiar de posición las cámaras para poder ser conectadas al cilindro.
VÁLVULA
4/2
(A) Figura 8.12.
Válvula 4/2 y su conexión a un cilindro
Se indica también en la válvula la alimentación escape o retorno. El funcionamiento
(A) Esquema (B) y (C) Funcionamiento
que es proveniente
de la bomba o compresor y el
del sistema de explica en la siguiente forma:
1. Inicialmente (figura 8.12(B)) el vástago está adentro y mediante el pilotaje de la derecha de la válvula se conecta su cámara 2 al cilindro. Esto hace que se inyecte fluido desde la fuente a la cámara izquierda del cilindro empujando el vástago y desalojando el fluido contenido en la cámara derecha del cilindro. 2. En esta parte del proceso el vástago está afuera. 3. Ahora acciona el pilotaje de la izquierda de la válvula, se conecta su primera cámara al cilindro, conectando la fuente de fluido a la cámara derecha del cilindro (figura 8.12(C)); el fluido contenido en la cámara izquierda del cilindro se conecta a la línea de retorno permitiendo el escape del fluido contenido allí al tanque o al aire. Esta situación hace que el vástago se desplace hacia la izquierda, entrando al cilindro.
El resultado final es semejante a la situación mostrada en la figura 8.12(B).
AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
355
TEORÍA Y LABORATORIO
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
La válvula 5/2 es una válvula que contiene dos cámaras y en cada cámara se tienen observa en la figura 8.13.
6
A
6
s
P R
S
(A)
6
A
P
s
R
(6)
Figura 8.13.
5 orificios como se
A
P
R
(e)
Símbolo de una válvula 5/2 y sus pilotajes
El símbolo es el indicado en la figura 8.13(A) y las letras vienen indicadas en el cuerpo de la válvula; algunos fabricantes indican con números. A y 8 son las conexiones que van al cilindro, es decir, es donde se tienen que conectar mediante tubos los orificios del cilindro. P es donde se conecta la entrada del suministro de fluido. R y 5 son los escapes independientes entre sí. Cada accionamiento o pilotaje tiene su letra o referencia y son las letras Yy Z
..'
En la figura 8.13(B) se pilota Zluego se conecta la posición de la izquierda de la válvula, la presión del fluido se conecta al punto 8 y el retorno desde el punto 8 al punto R. En la figura 8.13(e) se pilota y, así que ahora se conecta la segunda posición de la válvula, entonces la presión del fluido se aplica al punto A y el retorno se hace desde 8 hasta S. En la figura 8.14 se esquematiza el funcionamiento de doble efecto.
Figura 8.14.
de la válvula
Esquema que ilustra el funcionamiento
5/2 cuando se conecta a un cilindro
de una válvula 5/2
En la figura 8.14(A), el vástago esta adentro, así que la válvula se pilota por el lado Z, en esta forma se conecta la fuente de fluido al orificio izquierdo del cilindro para inyectar fluido a la cámara izquierda del cilindro (8 de la válvula) y simultáneamente el fluido contenido en la cámara derecha del cilindro escapa hacia la válvula, desde A escapando por el orificio R. En la figura 8.14(B) se efectúa la operación contraria, es decir, el vástago entra al cilindro, así que la válvula se pilota por el lado Y permitiendo que la alimentación de fluido pase de P hacia A de la váL vula y conecte al orificio derecho del cilindro; simultáneamente el fluido contenido en la cámara izquierda del cilindro escapará a los puntos 8-Sde la válvula, retornando al tanque. Es de anotar que al accionar la válvula desde Z, actuará y permanecerá en ese estado aunque se suprima el accionamiento. Para que cambie es necesario accionarla por el lado Y. Se puede considerar esta válvula como biestable. La figura 8:15 muestra las especificaciones, tipos de accionamiento y reacción de válvulas tipo comercial. En la parte final se presenta una fotografía de esa válvula. '.:.r..-
5/2 de un
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
356
TEORÍA Y LABORATORIO
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos MANOO Ell~TROt
PILOTAJE
AUTOALlMENTADO
- PRESIÓN
MANDO aECTRONEU~~,5.TJCO
A'RESORTE
REACCIÓN
PILOTAJE
;
TRABAJO
1.5-8
- PRESiÓN
1.5-8
TRABAJO
0.5
BAR
- PRESiÓN
T'RA«tljO
Figura 8.15.
PILOTAJE
1,S-8 BAR 0-10
0-10 llAR
BAR
ADO
TRABAJO
EXTERNO:
-PRESiÓN
PILOTAJE
- PRESIÓN
POR IMPUlSOS
- 8 BAR
PILOTAJE
EXTERtJO:
-PRESiÓN
PILOTAJE BAR
- PRESiÓN
0-10
PILOTAJE
BIESTABLE
PI LOT AjE AUTOAUMElJT
TRABAJO
I.S - 8 BAR
EXTERNO:
-PRESIÓN
~
AUTOALlMENTi\DO
- PRESiÓN
1 -8 llAR PILOTAJE
r MANDO ELE~~TRON'a;MÁT!CO
NEUMÁTICA
TRABAJO
BAR
Especificaciones de válvulas 5/2
La válvula 5/3 (figura 8.16) tiene tres cámaras (posiciones) y 5 orificios en cada cámara.
A
B
A
5
P R
~ 5
P
R
(A)
Figura 8.16.
(8)
Símbolos de válvulas 5/3
La figura 8.17 muestra la secuencia al conectar la válvula 5/3 de la figura 8.16(A) a un cilindro de doble efecto. La explicación de la secuencia se detalla así (seguir la secuencia en la figura 8.17): 1. Se pilota Yasí que se conecta la alimentación de fluido a la primera posición de la válvula; esto permite la entrada de aire a la cámara izquierda del émbolo del cilindro y el fluido contenido en la cámara derecha del émbolo va al orificio de retorno de la válvula. El resultado es el desplaza_ miento del vástago hacia la izquierda (sale del cilindro) 2. Se suprime el pilotaje desplazamiento.
Ypero
la válvula se mantiene en la primera posición; el vástago continúa su
3. El vástago sale completamente. 4. Ahora se pilota Zpor lo que la válvula pasa a la segunda posición.
5. Se interrumpe el pilotaje Z En esta posición se interrumpe el paso de fluido al cilindro y el fluido contenido en el cilindro retorna por los orificios de la válvula dispuestas en esta posición. El vásta_ go se mantiene afuera y fácilmente se puede mover, sin ningún esfuerzo. Así se mantiene el tiem_ po que se requiera en el proceso. 6. Nuevamente se pilota Z, pasando la válvula a su tercera posición. Se conecta la fuente a través de la válvula al cilindro llenando de fluido la cámara izquierda del cilindro y forzando la entrada del vástago al cilindro (movimiento hacia la izquierda). 7. Se interrumpe el pilotaje en Z, el vástago continúa su desplazamiento 8. El vástago entra completamente
al cilindro.
hacia la izquierda.
AUTO MATIZACIÓN
8. Dispositivos
INDUSTRIAL:
357
TEORÍA Y LABORATORIO
y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
9. Ahora se pilota Y pasando la válvula a la posición central (segunda posición). entrada de fluido al cilindro.
Se interrumpe
la
10.Se desactiva el pilotaje Zquedando la válvula en la segunda posición. Todo el fluido contenido en el cilindro se escapa a través de los desfogues de la válvula. Finaliza el proceso y queda listo para iniciar un nuevo ciclo (paso 1).
:
..•.
:.
Figura 8.17.
Secuencia de funcionamiento
de la válvula 5/3 de la Figura 8.16(A)
Ejercicio 8.2 Para la siguiente gráfica se utiliza la válvula 5/3 de la figura 8.16(B). Complete cada uno de los pasos de la secuencia mostrada y enumérelos. ¿Qué característica presenta esta válvula respecto a la que se analizó anteriormente? Complete los diagramas (enumerar la secuencia).
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
358
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
\,
~I
~
I1
GJ~
~
\ll~~")
~~~~'1
~
~~r~ yt&id
~
1
~
~.%
I
•.•....••.•
~
I
~
~
Fin
ejercicio 8.2
Electro Válvulas Son dispositivos que convierten una señal eléctrica en señal neumática o hidráulica. Las electroválvulas aprovechan la fuerza de un circuito magnético para abrir una pequeña válvula de 3/2. Un esquema de la electro válvula se muestra en las figura 8.18. ESCAPE TUERCA DE FIJACiÓN
CONEXIONES ELÉCTRICAS
~ CUERPO DE ELECTROVÁLVULA
MUELLE
Figura 8.18.
Esquema de una electro válvula
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
359
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
En la figura 8.18 se representa la electro válvula con sus partes más importantes. El mando es eléctrico y para tal fin se dispone de sus terminales eléctricos; también dispone de un pilotaje manual y que tiene como objetivo efectuar prueba de la válvu_ la o como actuación de emergencia. La fuente del aceite o aire se conecta a la entra_ da p y la válvula que se va a mandar se conecta en el terminal s. La salida R es un desfogue para evacuar fluido a presión que se almacene en la operación del disposi_ tivo. La electroválvula de la figura está en reposo. En la figura 8.19 se ilustra el funcionamiento de la electroválvula y se explica así:
(8)
(A) Figura 8.19.
Esquema de la electroválvula
de la Figura 8.18 y su funcionamiento
En las dos figuras se ha conectado la fuente de fluido y la entrada de una válvula o cilindro. Figura 8.19(A): La fuente de alimentación continua está desconectada, así que la electroválvula está en su estado de reposo. La fuente de fluido inyecta aire o aceite a presión pero no pasa a la válvula y se indica que por el orificio de escape o retorno, sale el fluido que se tenga acumulado en las cámaras. Figura 8.19(B): Se conecta la fuente de alimentación a la electro válvula, así que por el campo magné_ tico generado, el émbolo es atraído hacia la parte superior venciendo la resistencia de los muelles del émbolo. Esto permite que el flujo a presión circule hacia la válvula. Obviamente que el orificio de escape es taponado por el mismo émbolo.
La figura 8.20 presenta una electroválvula 5/2 de doble pilotaje biestable.
Figura
8.20.
ElectroválvulaS/2:
de doble pilotaje, simple pilotaje, sin pilotaje
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
360
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
8.3.2.
r
Válvulas de Presión
Tienen como objetivo regular y controlar la presión en un sistema hidráu_ lico-neumático. De estas válvulas se dispone de:
4 Válvulas 4 Válvulas
Iimitadoras de presión reguladoras de presión
Las válvulas limitadoras de presión permiten ajustar y limitar la presión, por lo que el control se hace a la entrada de la válvula. Las válvulas reguladoras de presión redu_ cen la presión de salida manteniéndola constante aunque la presión en la entrada fluctúe.
.$'_
De las válvulas Iimitadoras y reguladoras se encuentran comercialmente varios tipos a saber: • • • • • •
válvulas de seguridad. Válvulas de descarga. Válvulas limitadoras. Válvulas reductoras. Válvulas de secuencia. Válvulas de descarga de acumuladores.
El símbolo de estas válvulas se muestra en la figura 8.21.
"
:
~ cilJ-
VJ\f
P(A) T(B)
VÁLVULA L1MITADoRA DE PRESiÓN
Figura 8.21.
~
I\{
I'>'JI
:_~_ A(B) P(A)
~{'
-VYV'
C_Q~(B)T(B) P(A) VÁLVULA
VÁLVULA REGULAD ORA DE PRESiÓN
REGUlADORA DE PRESiÓN DE TRES VÍAS
Símbolo para diferentes válvulas de presión
Las válvulas limitadoras de presión trabajan según el siguiente principio: la presión de entrada (P) actúa sobre la superficie del elemento de cierre de la válvula y genera la fuerza: F = P1A1. La fuerza del muelle que presiona el elemento de cierre de la válvula sobre su asiento puede ajustarse. Si la fuerza de la presión de entrada es superior a la fuerza de oposición del muelle de la válvula, la válvula empieza a abrir y una parte del caudal fluye hacia el depósito. Si la presión de entrada contL núa aumentando, la válvula sigue abriendo hasta que la totalidad del caudal de transporte fluye hacia el depósito.
Las válvulas limitadoras de presión son utilizadas como: • Válvula de seguridad: cuando se conecta sobre la bomba con el fin de protegerla contra sobrecarga. En este caso la válvula se ajusta a la presión máxima de la bomba y solo abre en situación de emergencia. •
Válvula de contrapresión:
esta válvula actúa contra la inercia de las masasoponiéndoles una carga.
• Válvulas de freno: estas válvulas evitan picos de presión que puedan surgir a causa de fuerzas de inercia cuando cierra repentinamente la válvula de vías.
f"
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hi
•
361
áticos
El siguiente circuito hidrá lie il stra el uso de una válvula Iimitadora de presión. l.Unidad
de alimentación
hidráulica
2. Válvula antiretorno 3. Válvula limitadora de presión 4. Filtro S.Tanque
~
6. Manómetro
,---------2----- ------,
'\
:
I , I , I I I,
7. Válvula 4/2 muelle
accionada
con
palanca
y retorno
por
S.Cilindro de doble efecto.
, , , I
Figura 8.22.
Circuito hidráulico incluyendo válvulas Iimitadoras de presión
Las válvulas reguladoras de presión reducen la presión de entrada hasta alcanzar el valor de una presión en la salida previamente ajustada. Estas válvulas cumplen su objetivo si se presenta diferencia de presiones en el circuL to hidráulico o neumático. Como ejemplo de aplicación! en la figura 8.23 se muestra un circuito hidráulico que maneja dos cargas diferentes: un motor hidráulico y un cilindro de doble efecto.
p
in>v
o ~
Figura 8.23.
Ejemplo de aplicación con diferentes elementos hidráulicos para el ejercicio 8.3
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-f{' eunrláticos
362
Ejercicio 8.3 1. Anotar el nombre correspondiente 2. Explique el funcionamiento
a cada elemento del circuito de la figura 8.23
del circuito hidráulico de la figura 8.23
3. Proponga alguna aplicación práctica del circuito analizado. Fin ejercicio
8.3
La figura 8.24 muestra la fotografía de algunas válvulas utilizadas en el banco hidráulL co de FESTO. (Copiadas del programa de simulación FLUIDSIM).
Figura 8.24.
8.3.3.
Fotos de diferentes válvulas FESTO
Válvulas de Cierre
Las válvulas de cierre bloquean el caudal en un sentido y permiten el flujo en el sentido contrario. Se conocen también como válvulas antiretorno. El bloqueo debe ser total y sin fugas. La figura
8.25
ilustra el funcionamiento de estas válvulas y su símbolo hidráulico.
(8)
(A) Figura 8.25.
Esquemas de válvulas antiretomo
(A) No
/ V (C) permite el paso (8) Símbolo
(C) Permite el paso
.-
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
363
8. Dispositivos y Circuitos Hidrá licos- 'eumáticos
Cuando el fluido a presión entra por la izquierda (Figura 8.25(A)), empuja a la c1apeta que tapona el orificio de la derecha; cuando el flujo a presión se aplica por la derecha (Figura (C)) también empuja la clapeta, pero unos soportes a la izquierda de la c1ape_ ta, permiten que el aire circule por el orificio de la izquierda. El símbolo se muestra en la figura 8.25(B).
8.3.4.
Válvulas Reguladoras de Caudal
Las válvulas de control y regulación de caudal tienen la finalidad de disminuir la velocidad de un cilindro o las revoluciones de un motor. Ambas magnitudes dependen del caudal volumétrico, por lo que este tiene que ser reducido. Pero las bombas de funcionamiento constante suministran un flujo constante, así que para que las válvu_ las reguladoras de caudal operen, se sigue el siguiente método para disminuir el cau_ dal volumétrico hacia los dispositivos del circuito hidráulico-neumático: una reducción de la sección en la válvula reguladora de caudal provoca un aumento de la presión delante de esa válvula. Esta presión abre la válvula Iimitadora de presión, con lo que se produce una bifurcación de caudal, permitiendo que al elemento de trabajo fluya la cantidad necesaria para reducir su velocidad o sus RPM, mientras que el resto del flujo pasa a través de la válvula limitadora hacia el tanque; lógicamente esto produce una gran pérdida de energía pero si se quiere optimizar el proceso, será necesario disponer de bombas con flujo regulable mediante el ajuste de la presión. Símbolo, funcionamiento y foto de un prototipo se muestran en la figura 8.26.
(A)
Figura 8.26.
(6)
(e)
Válvulas reguladoras de caudal (A) Símbolo hidráulico (B) Esquema interno (C) Foto del regulador FESTO
Identificando la cama que se forma internamente como cono macho a la pieza que va solidaria con el tornillo de ajuste y cono hembra la abertura inferior, el espacio entre estas dos piezas es variable externamente y, dependiendo de este espacio, pasará mayor o menor cantidad de aire desde el la fuente del fluido hasta el otro extremo. El cono macho está unido a un espárrago roscado que sobresale terminando en una rueda. Al girar esta rueda se puede aumentar el espacio entre los dos conos, contro_ lando, de esta forma, la presión del fluido. La válvula de estrangulamiento de la figura 8.26 es bidireccional, puesto que por cuaL quiera de las dos aberturas se puede conectar la entrada de aceite a presión.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos- eum';'
364
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r-
También se dispone de un regulador de presión unidireccional, y se logra adicionando al regulador anterior una válvula antirretorno como se muestra en la figura 8.27(B). En la Figura 8.27(A) se aplica presión al lado izquierdo del regulador, entonces el fluido a presión se ve reducido por efecto del estrangulamiento, mientras que por el otro camino, el fluido queda bloqueado por efecto de la válvula antirretorno. Al otro lado de la válvula, se obtiene una presión pequeña Pl (p »Pl).
pl
p
~
LÓ>-J (C)
(B)
(A)
Figura 8.27.
Regulador de presión unidireccional (A) El fluido sólo pasa a través de la válvula Reguladora (B) Símbolo hidráulico (C) El fluido pasa completamente
En la figura 8.27(C) se aplica fluido a presión por el lado derecho del regulador y este fluido toma dos caminos, por el lado del estrangulador, en donde se reduce la pre_ sión, mientras que por el camino de la válvula antirretorno permite el paso de todo el fluido que está entrando, es así que a la salida del regulador total, se tiene igual presión e igual cantidad de fluido aplicado a la entrada. Una aplicación muy común de esta válvula reguladora se muestra en la figura 8.28.
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l_ _
Figura 8.28.
_
,
~
Ejemplo de aplicación de los reguladores de presión unidireccionales
Consta de dos válvulas reguladoras de caudal unidireccional, efecto y alguna válvula (colocada en la parte inferior).
un cilindro de doble
Se supone que el vástago del cilindro está adentro, así que se aplica fluido a la cáma_ ra izquierda del cilindro y, de acuerdo a la posición de la válvula reguladora, el fluido proveniente de la fuente está entrando completamente. Sin embargo, por el otro lado
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidri li
365
- eumáticos
de la cámara del cilindro! el fluido contenido allí no puede salir con la misma rapidez! por causa de la posición de la válvula reguladora de caudal que! como se observa! está colocada en sentido contrario al flujo del aire o aceite; entonces el fluido que sale del cilindro depende del ajuste que se haga de la válvula estranguladora. El resultado es que el vástago sale lentamente. Cuando la válvula que conecta a la fuen_ te cambia de posición, inyectará el fluido a presión por el lado de la cámara derecha del émbolo del cilindro! mientras que en la otra cámara del cilindro, la salida del fluL do va a estar limitada únicamente por la válvula estranguladora. Nuevamente se logra que el vástago del cilindro entre lentamente; así que este circuito tiene como fin regular la velocidad de desplazamiento del vástago. ¿Qué sucede si los reguladores se invierten en el circuito de la figura 8.287 Se muestra en la hidráulicos.
VÁLVULA
DE VíAS,
ELECTROVÁLVULA
ACCIDNAMIENTO DE 4/2
figura
8.29
DIRECTO
esquemas internos de diferentes válvulas y sus símbolos
VÁLVULAS
DE víAS
SERVOPlLOTADAS
A
B
VíAS
A
ACCIDNAMIENTO AUXILIAR MAIIIlJAL
CENTRO CERRADO ELECTROVÁLVULA
B
4/3
~. •
VíAS
V ÁL VULA
UNIDlRECCIDNAL
CARGADA
CON MUELLE
,.
P
T
. COR~ LONGlTUDlNAL CUERPO
'BOBINA MUELLE DE RECUPERACIóN
¡ÉMBOLO REa.JBRIMIENTO ELÁSTICO DE PROTECCIÓN CONTRA LA SUCIEDAD
ELECTROVÁL VULA 4/3 CENTRO CERRADO
~
P
VÍAS
T T
A
P B
VÁL VUlA UNIDIRECCIONAL PILaT ADA
X
A
X
B
FLUJO BLOQUEADO DE B HACIA A
Figura
8.29.
A
B
FLUJO DE A HACIA B
Esquemas internos de diferentes válvulas y sus símbolos hidráulicos
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AUTO MATIZACIÓN
8. Dispositivos
8.4.
INDUSTRIAL:
TEORÍA
366
Y LABORATORIO
eumáticos
y Circuitos Hidráulicos-
Simbología Hidráulica-Neumática
Se presenta a continuación electro-h idráuIicos-neu máticos.
la simbología más utilizada en los circuitos
BOMBAS TANQUE
TANQUE
,.GASES
FLUIDOS
ACCIONAI,ílENTOS
TANQUE
GENERAL
y \~
rt;c
(~)::
CON UNA DIRECCiÓN DE FLUJO
RETORNO
MAt~UAlES
/~.
(
".~.
CON DOS DIRECCIONES
GENERAL
DIRECCIONES
ACCIONAMIENTOS
PULSADOR
'-'
PEDAL
DIFERENTES ACTUADORES
cz{
SOLENOIDE MANUAL
PALANCA DE RODillO EN UNA DIRECCiÓN
INTERRUPTOR
m
~
ELÉCTRICO SOLENOIDE
\...
CON DOS
(;{r=t PALANCA
{",
i=t=
SOLENOIDE MANUAL PILOTADA
ELÉCTRICO
e==[ RODilLO
CONEXiÓN-DESCONEXiÓN
MANUAL
.1
o.-.-~ N.A
REGLA N.C
N.A MANTENIDO
INSTANTÁNEO
CERRADO
N.C
MANTENIDO ABIERTO
N.A LUEGO
N.C
CIERRA PERMANENTE
LUEGO
ABRE PERMANENTE
l,[--7
N.A E-·---"', PULSADOR N.C N.C N.C CONTACTO \1 1 CON I N.A \ I RETENCiÓN
tv-\ \1
(
~====
W V /\ vJAJ
EFECTO DOBLE
SENSORES
MEDIDORES
MANÓMETRO TERMÓMETRO CONEXiÓN-DESCONEXiÓN INDUCTIVO
SIMPLE EFECTO
CAPACITIVO
Figura 8.30.
ÓPTICO
ACCIONADO NEUMÁTICO RETORNO POR MUELLE
Simbología de los diferentes dispositivos
CAUDAL
NIVEL
-<)LUBRICADOR
REFRIGERADOR
hidráulicos-Neumáticos
FIL TRO
AUTO MATIZACIÓN
8.
;{ :;r·,
CAMINOS FLUJO CONTROL ~DOS -1DE DE
367
TEORÍA Y LABORATORIO
'-,Jf
ANTIRETORNO
VÁLVULA
I
DE
AJSUTABLE
(DE ESTRANGULACiÓN)
i!@ -{>
CONTROL VÁLVULA DE ANTIRETORNO DE CIERRE DESBLOQUEABLE VÁLVULA
UNA DE FLUJO DIRECCIÓN DE VÁLVULA
TUlii
~
~i
DE CONTROL
DE FLUJO
- -
VÁLVULA
......•..
VÁVULA
MUELLE
DIVISOR
'. "_,,_._~'M'__ ,'·"", '~'."<'.'_"." . UNIDAD : VÁLVULAS
PARA CONTROL
DE PRESiÓN
r
I I i I I I
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DE FLUJO
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DE MANTENIMIENTO
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VÁLVULA MANUAL REGULADORA PROPORCIONAL VÁLVULA DE PRESiÓN PRESiÓN DEDETRES VíAS VÁLVULA
REGULADORA
DORA
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INDUSTRIAL:
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
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HIDRAULlCO
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I
I
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VÁLVULAS
VÁLVULA
VÁLVULAS
(1 )
(5) '"
•
GENERALES
DE CONTROL
.
_
DE DIRECCiÓN
N.e
N.A
VÁLVULA
Y SUS DIFERENTES
VÁLVULA
VÁLVULA
AcelONAMIENTOS
(2)
(4)
(3)
(6) (10) (7) (8) (14) (16) (15) (11 )(12)
N.e
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> ____
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(13)
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Figura 8.30.
(cont)
Simbología de los diferentes
dispositivos
hidráulicos-Neumáticos
N.A
______
1
AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-
368
eumáticos
Ejercicio 8.4 Para las siguientes secuencias electro-hidráulicas, hacer las conexiones de los elementos hidráulicos, explicar el funcionamiento y asociar esa secuencia a un proceso real. Para cada proceso, dibujar el diagrama /addery listado de instrucciones utilizando el PLC estudiado.
1.
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INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-, e má··cos
AUTOMATIZACIÓN
8.
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AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-
370
eumáticos
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL:
TEORÍA Y lABORATORIO
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-
371
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AUTOMATlZACIÓN
8. Dispositivos
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
372
y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
373
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6
7
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10
Fin ejercicio
8.5.
8.4
Diagramas de Fases Hidráulico-Neumático
Cuando se trabaja con sistemas neumáticos, una forma esquemática de mostrar el funcionamiento de uno o más cilindros es mediante los diagramas de ciclo o fases Neumático O Hidráulicos.
En la figura 8.34 se muestra un ejemplo de un ciclo hidráulico-neumático. En cada cuadro horizontal se coloca un cilindro; con el vástago adentro, se tiene estado O y el vástago afuera, el estado 1. Estos estados indican el desplazamiento o r.ecor.rido del vástago.
374
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
FASE 1
1
CILINDRO
1
CILINDRO
2
2
4
o
1 CILINDRO
3 o
Figura 8.34.
Ejemplo del diagrama de fase Hidráulico-Neumático
Cada cuadrícula vertical indica la fase o proceso que hace cada cilindro, entonces se tiene: Fase1: Los tres cilindros tienen el vástago adentro del cilindro. El vástago del cilindro 1 inicia su desplazamiento hacia fuera. Fase2: El cilindro 1 tiene su vástago afuera; el vástago del cilindro 2 inicia su desplazamiento fuera; el vástago del cilindro 3 se mantiene adentro.
hacia
Fase3: El vástago del cilindro 1 está afuera e inicia su desplazamiento hacia adentro del cilindro; el vástago del cilindro 2 completa su desplazamiento hacia fuera e inicia su desplazamiento hacia aden_ tro; el vástago del cilindro 3 inicia su desplazamiento hacia fuera. Fase4: Los vástagos de los Cilindros 1 y 2 quedan dentro del cilindro, mientras que el vástago del cilindro 3 completa su recorrido hacia fuera e inicia su desplazamiento hacia adentro.
FaseS: Los vástagos de los tres cilindros quedan adentro y están en posibilidad de repetir el proceso. Las cinco fases indican el ciclo completo del proceso. Esta descripción es bastante sencilla sin embargo funcionamiento de los cilindros.
muestra con cierto detalle el
Otra forma de expresar la operación de los vástagos de los cilindros es utilizando la siguiente nomenclatura: por ejemplo se tiene el cilindro A. Si el vástago del cilindro sale se indica como A+, si el vástago entra se indica como A-. Para el diagrama de fases de la figura 8.34 se puede escribir el proceso como:
1+/ 2+ /1- 2- 3+ / 3Significa que en la primera parte del proceso sale el vástago del cilindro 1; los otros cilindros tienen sus vástagos adentro. En la segunda parte, el vástago del cilindro 1 se mantiene afuera, sale el vástago del cilindro 2 y el vástago del cilindro 3 se mantiene adentro. En la tercera parte del proceso entra el vástago de los cilindros 1 y 2, sale el vástago del cilindro 3.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO
375
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
En la cuarta parte del proceso, el vástago del cilindro 3 entra, completando así todo el ciclo. El posicionamiento en los vástagos de los cilindros se hace normalmente mediante fines de carrera o cualquier otro tipo de sensor que se encuentra en el camino de recorrido de los distintos vástagos.
Ejemplo 8.1 El siguiente es un proceso de maquinado de ciertas piezas. La estructura está formada por tres cilindros de doble efecto que son controlados por válvulas, un depósito dispensador de las piezas y una rampa con rodillos para que las piezas ya maquinadas se deslicen y sean retiradas. En la siguiente figura se ilustra la secuencia del proceso.
B
2
~c
A+
B+
3
A+ A+
En la gráfica 1, se ilustran los componentes de la estructura. Los cilindros se identifican con A, B, C. El vástago del cilindro A tiene una terminación tal que permite seleccionar uno de los objetos. En la pared de la derecha del depósito y en la parte inferior hay una pequeña compuerta que es de libre movimiento; las bisagras que la sujetan a la pared permiten que tenga movimiento libre hacia la derecha y no permite movimiento hacia la izquierda.
..!ii'.
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
376
TEORÍA Y lABORATORIO
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
En la gráfica 2, el vástago del cilindro A sale (A+), empujando la primera pieza a maquinar y un bloque que está solidario con el vástago del cilindro, impide que el siguiente bloque dentro del depósito baje. También este vástago tiene una superficie de manera que el bloque queda sobre ella. Al salir completa mente el vástago, al lado derecho hay una pared que aprisiona al bloque. En la gráfica 3, el vástago del cilindro B sale (B+), practicando el primer maquinado en la pieza. La gráfica 4, el vástago del cilindro B entra (B-), así que ya queda practicada la primera operación sobre la pieza.
B+
c+
A+
8
A+
A+
Gráfica S, el vástago del cilindro C sale (C+), de manera que desplaza en posición al cilindro B. Grafica 6, sale vástago cilindro B (B+), practicando la segunda operación sobre la pieza. Grafica 7, vástago del cilindro B se retrae (B-). Ya se ha efectuado el maquinado completo en la pieza. Gráfica 8, el vástago del cilindro Centra (C-), dejando estos dos cilindros en su posición inicial. Gráfica 9, vástago cilindro A se retrae (A-), la pieza maquinada cae a la banda inclinada rodando por ella y el cilindro A aprisiona otra pieza, para iniciar el proceso. En la última gráfica se muestra el diagrama de fases hidráulico en donde se muestran los tres cilindros y los cambios que se operan en sus vástagos. No se incluye en este proceso el manejo de la herramienta incluyen las válvulas que gobiernan a los cilindros. Se propone como ejercicio, adicionar estos componentes, piezas ya maquinadas.
que tiene el vástago del cilindro B ni se
así como el mecanismo de recogida de las
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
r
377
A
I
B
A-
e
Fin ejemplo
8.1
Ejercicio 8.5 1. El circuito comanda dos cilindros A, B a través de sendas válvulas. Entender el funcionamiento, colocar las válvulas adecuadas para manejar esos cilindros, y dibujar el diagrama de fases del proceso hidráulico correspondiente. Escribir el programa en el PLC estudiado
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:
~
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
378
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
2.
Dibuje el circuito eléctrico para los dos siguientes diagramas hidráulicos¡ explique su funciona_ miento¡ dibujar los programas en los lenguajes GRAFCIT y texto estructurado para el PLC y asociar cada circuito a un proceso real. F=O
3. Para cada uno de los siguientes circuitos eléctricos-hidráulicos¡ analizar su funcionamiento¡ escribir el programa en diagrama GRAFCIT o texto estructurado. Asocie cada uno de ellos a algún proceso industrial práctico. 3.1.
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AUTOMATIZACIÓN
8. Dispositivos
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
379
y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
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AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
380
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
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AUTO MATIZACIÓN
8. Dispositivos
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
381
y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
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Fin ejercicio
8.5
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
382
TEORÍA Y LABORATORIO
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Ejemplo 8.2 Los siguientes son ejemplos en donde se integran diferentes tecnologías: hidráulica, eléctrica, electró_ nica y mecánica, y utilizan la metodología de diseño estructurado basado en GRAFCET y la guía GEMMA.
1. Estación de marcaje de piezas Se tiene una estación de marcaje de piezas que consiste en: un cilindro A de transferencia de pieza a la zona de marcaje y un cilindro B de marcaje; son cilindros de doble efecto. Considerar que en condi_ ciones iniciales tanto el cilindro A como B están retraídos; se establece que A+, A- el avance y retro_ ceso del pistón A respectivamente, a B+ y B- las acciones del pistón B, además los finales de carrera de cada uno de los pistones son ao, al, bo, bl , Y M un pulsador con enclavamiento. El esquema del proceso se muestra en la siguiente figura
A
ao A+
¡------,J;l
f
B+
....••.•..... <:"<:..:.)~ })iéUl
Figura.
Ejemplo 8.2.1: Marcado de piezas
La descripción literal del proceso es: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Se coloca la pieza manualmente, frente al vástago del cilindro A Se da orden de arranque El cilindro A saca vástago arrastrando la pieza hasta quedar aprisionada contra el muro de la derecha. El vástago del cilindro A se retrae y vástago del cilindro B sale practicando el marcado de la pieza Vástago del cilindro B entra. Finaliza el proceso. Se retira la pieza y repite paso 1.
La siguiente gráfica muestra el diagrama GRAFCET del proceso; se trazan dos diagramas: uno, que se conoce como GRAFCET de primer nivel, muestra este diagrama pero sus instrucciones son literales; el otro diagrama es conocido como GRAFCET de segundo nivel y en este, la descripción es más cercana a los elementos del proceso.
Figura.
Ejemplo 8.2.1: (A) GRAFCET de primer nivel (8) GRAFCET de segundo nivel
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
383
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos • Se quiere mejorar el GRAFCET anterior, incorporando la posibilidad de que la máquina funcione ciclo a ciclo o de forma automática. Para ello, se dispone de un selector de automático, AV, o ciclo a ciclo, eL. Corresponde al procedimiento A2 de la guía GEMMA. Hay dos propuestas de resolver el problema: a) Se dispone de un pulsador que activa el ciclo, dcy, b) Igual que a), pero considerando que el ciclo debe ser único o anti-repetición (por seguridad) Esta propuesta llevada al esquema de modos de la guía GEMMA se observa en la siguiente figura. Están activados los modos Al - F1 - A2 Cuando se trabaja con la guía GEMMA, algunos modos de operación no son utilizados, así que para indicar esa situación, se coloca sobre esos modos una X en color rojo (es la recomendación de la norma). Para este ejemplo, se observa en el siguiente diagrama que sólo quedan habilitados los modos Al, Fl Y A2 Y todos los demás modos se indican con la X sobre ellos.
Figura.
Ejemplo 8.2.1: Guía GEMMA para las propuestas a) y b).
El diagrama GRAFCET para las propuestas a) y b) se ilustra en la siguiente figura. Se ha complementado
la transición en donde se da la orden de marcha, adicionando las condiciones: M • ( AU
+ Cl • dcy)
Significa que el proceso inicia cuando se acciona el pulsador de marcha y se habilita la operación automática (generalmente es una llave que en una posición queda el proceso automático y en otra posición el proceso es por ciclo) o cuando se acciona M y está la orden de ciclo en la llave del panel de mando y se da la orden de operación por ciclo (puede ser otro pulsador). Esta es la propuesta a). Para la propuesta b), como se observa en el GRAFCET de la derecha en la figura, el único cambio es que al dar la orden de ciclo único (dcy), sólo responde al flanco de subida de esta acción, así que al terminar un ciclo de trabajo, no se volverá a repetir hasta tanto, nuevamente se accione dcy.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
384
TEORÍA Y LABORATORIO
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos "
Figura.
Ejemplo 8.2.1: Diagrama GRAFCET para las opciones de operación a) Izquierda,
b) Derecha
• Se quiere que la máquina trabaje etapa/etapa, para ello se dispone de un selector de tres posiciones: automático (AU), ciclo a ciclo (el) y etapa a etapa (ET). Se dispone de tres pulsadores: el' de activación de ciclo, dcy, el de activación de etapa, bp y el de marcha M Asociando a la Guía GEMMA, corresponde a la etapa F5, como se observa en el siguiente gráfico
Figura.
Ejemplo 8.2.1: Guía GEMMA en donde se incluye el modo etapa-etapa
(modo F5).
AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
385
TEORÍA Y LABORATORIO
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
o dcy
bp
O
eL
L.__
Á_U_T_e_e_e_e_E_T
Figura.
_
Ejemplo 8.2.1: Diagrama GRAFCET (Izquierda) incluyendo el control de etapa por etapa. Panel de mando (Derecha)
Hasta esta parte el diseño para desarrollar el proceso de marcado, incluye tres modos de operación: modo automático, modo de ciclo único y modo de etapa por etapa. El panel de control contiene una llave selectora de tres posiciones, un pulsador NA con enclavamiento para la orden de marcha y dos pulsadores NA, uno (dcy) para que el funcionamiento sea por ciclo y el otro (bp) para el manejo del proceso etapa por etapa. Se entiende funcionamiento por ciclo, tal como se indicó en la guía GEMMA, la acción de marcar una sola pieza, pero el marcado se puede repetir. De acuerdo a la última figura, el marcado se hace para una única pieza y si desea otra pieza, necesariamente debe volverse a accionar el pulsador dcy. Por esta razón en el diagrama GRAFCET, se indica la presencia del flanco la señal dcy (tdcy). Analizando el último diagrama GRAFCET se tiene: • Coloca pieza. Para iniciar operación se debe accionar M (queda permanentemente cerrado) • Si se desea modo automático, la llave selectora se coloca en posición AUT, así que es imposible que se activen los modos CL y ET, entonces los pulsadores dcy y bp no tienen efecto aunque se accionen. • Evoluciona GRAFCET de la etapa XO a Xl .Si NO está accionado el fin de carrera al, la etapa X2 queda activa y el vástago del cilindro A sale. • Si fin de carrera al acciona la transición es válida y evoluciona a la etapa X2. Observe que en esta parte, de acuerdo a la lógica que requiere la transición, se cumple que la llave no está en ET. • Si no está accionado sensor aO, vástago de cilindro A entra. Si no está accionado sensor bl, vástago cilindro B sale. Así que la etapa está validada. • Si la lógica de la transición: sensor aO activado y sensor bl activado y llave no está en ET, la transición es cierta y se evoluciona a la siguiente etapa X3. • Si no está accionado sensor bo, el vástago del cilindro B entra, la etapa X3 queda validada . • , Si está accionado sensor bo y no se ha movido la llave, la transición es cierta y el GRAFCET evoluciona a la etapa XO, finalizando un ciclo, • Se tienen las condiciones para que se repita automáticamente el ciclo, para el marcado de otra pieza.
Si se quiere la operación por ciclo se procede así: • Coloca la pieza, la llave selectora se coloca en la posición CL, acciona M y se acciona el pulsador dcy. Se inicia el proceso y hará el ciclo completo, es decir el marcado de una pieza. Cuando termina, queda en la etapa XO en espera de que nuevamente se accione el pulsador dcy.
Así que cada vez que se completa un ciclo de marcado, para una nueva pieza, debe volverse a dar la orden mediante el pulsador correspondiente.
,11/;:,
AUTOMATIZACIÓN
8. Dispositivos
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
386
y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Si se quiere operación de etapa por etapa, se procede así: • Una vez colocada la pieza la llave se coloca en la posición ET, pulsador de marcha se acciona, se acciona pulsador bp, la transición es válida y evoluciona a la etapa Xl. • Si sensor al no está accionado el vástago del cilindro A sale. • Si fin de carrera al está accionado, se tiene que accionar nuevamente el pulsador bp, para que la transición sea cierta y evolucione el GRAFCET a la etapa X2.
Así continúa. Observe que en cada transición, para que sea cierta y pueda evolucionar a la etapa que siga, necesariamente se debe accionar el pulsador bp, así que se hace una operación etapa por etapa.
Configurar al proceso analizado sistemas de emergencia Hay distintas maneras de materializar una parada de emergencia, existiendo la posibilidad de combinar las entre ellas: • Inhibiendo las acciones asociadas a las etapas: se paran las órdenes que van a los preaccionadores utilizando acciones condicionadas. • Inmovilizando
la evolución GRAFCET: se consigue bloqueando las receptividades de las transiciones.
• Con el retorno al estado inicial:
*
En el caso de varios GRAFCETs simples se procede desactivando hacia las etapas iniciales.
*
todas las etapas activas y maniobrándolo
En un solo GRAFCET o varios GRAFCETs complejos se fuerza la desactivación se fuerzan las etapas iniciales.
de todas las etapas activas y
• Realizando alguna acción especial antes de volver a la condición inicial, se procede desactivando todas las etapas activas y maniobrando hacia una secuencia particular. • Realizando algunas tareas especiales antes de volver a la condición inicial, se procede desactivando todas las etapas activas y se realizan las tareas particulares según las diferentes situaciones. Las paradas de emergencia y seguridad de la instalación pueden evaluarse desde dos niveles: • La seguridad de primer nivel_se realiza con tecnología cableada, actuando sobre la parte operativa como si no hubiera sistema de control. • La seguridad de segundo nivel, es la mayoría de las veces redundante con la primera, está activada por el sistema de control y gestiona las paradas y rearme de la máquina. Permite, además, incorporar la detección y diagnóstico de fallos en los componentes. Utilizando el mismo ejemplo que en los casos anteriores, se desea incorporar emergencia, PE, considerando que PE es un pulsador normalmente cerrado (Ne).
una parada de
En las siguientes figuras se ilustran tres métodos de implementación de parada de emergencia. Un método, como se mencionó, es bloqueando las etapas y dando estado falso a las transiciones. Esto bloquea completamente todo el proceso (lo "congela"). En este caso, luego de corregir la falla, se rearma el sistema y el proceso continúa en el punto en donde quedó. El segundo método es fijando transiciones con conexión hacia la etapa inicial. El valor de verdad de estas transiciones se da cuando se acciona el pulsador de emergencia. Observe en la figura, que en cada salida de etapa se presenta una divergencia en OR exclusiva. La última alternativa de emergencia se muestra en la figura inferior; allí se dispone del GRAFCET principal (en donde se realiza el proceso) y un GRAFCET dedicado a evaluar y detectar la actuación del pulsador de emergencia.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
387
TEORÍA Y LABORATORIO
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
(Al
(B)
Figura. Ejemplo8.2.1: GRAFCET del paradode emergencia(A) Coninhibicióne Inmovilización(B) Retornoa la etapainicialconmaniobra
:.10--
Figura. Ejemplo8.2.1: Paradade emergenciaforzandoretornoa la etapainicial
Cuando se acciona el pulsador de marcha M y se tienen las condiciones iniciales, la etapa Xll queda validada y el GRAFCET principal evoluciona porque la transición Xll es cierta; se desarrolla el proceso normalmente. Si en alguna parte se acciona el pulsador PE, la transición posterior a la etapa Xll se hace cierta, evoluciona el GRAFCET de emergencia a la etapa Xl0, la transición OR exclusiva del ramal de la derecha se hace cierta y la etapa X12 se hacer verdadera, la etapa X12 se valida y su acción es forzar a que el proceso deje lo que estaba haciendo y se salte a la etapa inicial XO. Se corrige la falla que ocasionó la emergencia, manualmente se vuelve a las condiciones iniciales, por ejemplo vástagos adentro, bandas transportadoras en puntos de partida, etc. Y se rearma el circuito deshabilitando el pulsador PE (recuerde que en estos casos el pulsador de ernergencia es de enclavamiento). (* Esteejemplofue tomadode Internet,se hicieronalgunoscambiosy seadicionaronexplicaciones)
Fin ejemplo 8.2.1
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
388
TEORÍA Y LABORATORIO
8. Dispositivosy Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
8.2.2. *Este ejemplo está copiado de Intemet tal como lo propuso el autor: Profesor JOSÉ RODRÍGUEZ MONDÉJAR. Es bastante interesante y completa su descripción y desarrollo tanto de la guía GEMMA como de los GRAFCET.
Se trata de una planta en donde se embotella, tapa y transporta bebidas. El siguiente gráfico presenta el aspecto y partes de la planta. Leer y seguir con atención todo el desarrollo.
Est¡¡clón 2: Doslficado
Estación
y lIen¡¡do
3: Taponado
gcO
c1
G gO
Estación
1:
Carga o transferencia:
El funcionamiento •
se describe así:
Estación de carga (1): Las botellas llegan por una cinta y se transfieren a la cinta de embotellado mediante
el cilindro A. Los finales de carrera aoy al controlan el avance y retroceso. • Cinta de embotellado: Avanza un paso con el avance del cilindro B. La banda no devuelve al entrar vástago del cilindro B. los sensores boY b1controlan el recorrido de B • Estación de dosificación y llenado (2): El cilindro C carga el líquido en el depósito intermedio y a través de la válvula controlada por D se descarga sobre la botella, siempre que haya botella. Coy C1controlan recorrido del cilindro C • Estación de tapado (3): El cilindro G suministra una tapa al terminal del cilindro E. Este cilindro coloca el tapón sobre la botella roscándolo a través del motor hidráulico F. El fin de carrera eo controla el retroceso de E y la válvula de sobre presión el controla el avance de E. Al avanzar el cilindro E, si choca con un obstáculo aumenta la presión interna en el cilindro. Este efecto es detectado por eo. Los sensores CP1, CP2 y CP3 detectan posicionarse. Las siguientes figuras
la presencia de botella
en cada estación donde deben
muestran los diagramas GRAFCET de primer y segundo nivel.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
8. Dispositivosy Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Figura 8.31: Izquierda:
389
Ejemplo 8.2.2. GRAFCET de producción.
De primer nivel. Derecha: De segundo nivel
Los GRAFCET de producción de la Figura 8.31 son básicos y no incluyen aspectos de operación, mantenimiento y emergencia. Para contemplar algunos de estos aspectos importantes, se plantea una guía GEMMA y un panel de control con los siguientes parámetros. Modo manual. Para comprobar el funcionamiento independiente de cada elemento de la planta. Modo de test Que permite comprobar el funcionamiento de un ciclo completo que incluye el posicionamiento, llenado y tapado de una botella, y test para ciclos parciales del proceso. Test del dosificador. Que verifica periódicamente la cantidad de líquido en cada botella. Es necesario hacer esta prueba, ya que pueden presentarse variaciones en el flujo y presión del líquido en los tanques dispensadores de líquido. Así que los modos que se incluyen en la guía GEMMA son: ...•.•
•
Al: Planta en condiciones iniciales: una botella sobre la banda de embotellado.
•
F2: Planta en estado de preparación: En cada estación hay un embase.
•
F1: Producción normal: Se produce un producto terminado por cada ciclo.
•
F3: Parada de producción: No entran más botellas y se completan las que estén en turno.
•
F4: Operación en modo manual: Se puede accionar cada uno de los elementos independientemente
• FS: Modo de prueba: Realiza ciclos completos en cada estación y se indica la estación en donde se está probando. • F6: Modo de verificación de la estación de llenado: Verifica la especificación de la cantidad de líquido en cada botella. •
D1: Parada de emergencia:
La acción fundamental es cerrar la válvula de llenado (D).
•
D2: Diagnóstico de falla: Determinación manual del fallo.
•
AS: Retirada, limpieza: acción realizada manualmente.
•
A6: Reparación de defecto: Realizadamanualmente.
•
A7: Puesta en estados iniciales los accionadores: Operación realizada manualmente.
:
AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
390
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Figura 8.32.
Los comandos
Ejemplo 8.2.2. Panel de comando de la planta
que tiene el panel de control
de la figura
Accionamientos: Se puede actuar manualmente individual de las válvulas y cilindros. Operación
de la planta:
8.32 son:
cada uno de los detectores
para verificar
el funcionamiento
Permitiendo tres modos: manual, de prueba y automático.
Detección de envase: específica mente en la zona de llenado. Se permite verificación de llenado si no hay botella y con presencia de botella. Ciclos de operación: Se puede verificar el funcionamiento de los tres ciclos parciales del proceso, en forma individual. En la zona cuando se coloca el envase (envase nuevo), en la zona cuando se efectúa el llenado y en la zona de tapado. Ciclo de tapado:
Se puede monitorear en forma manual o automática,
Estado de la planta: debido a una falla.
el proceso de tapado del envase.
Son dos indicadores que muestran cuando la planta está operando y cuando está apagada,
Pulsador de paro-marcha: Cuando se presenta una falla, revisión o mantenimiento, parada. Con el pulsador de marcha se repone la planta para que inicie operación. Pulsador
de inicio:
Al accionarlo pone en funcionamiento
Pulsador
de emergencia:
se acciona el pulsador de
el proceso.
Pulsador tipo hongo para el apagado de toda la planta al detectar un estado crítico.
AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
391
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
A1
Parada en el estado inicial
1 arada de emergencia
Figura 8.33.
Ejemplo 8.2.2. Guía GEMMA del proceso con los modos considerados
~ ..
aO"eO"eO
GEMMA con modos AI-F2-Fi
AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
392
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
CP1-Botellas
CP3-TAPOAUTO
C P3'TAPOAUTO'
g1
e1 eO
gO
e1
aO-eO-eO
GEMMA con modos Al-F2-Fl,
AUTO'MMarcha'MParo'-aO' b+
Fl-A3-A4, D3
bO'cO'eO-gO
CP1'Botellas g1
e1 eO
gO e1
aO-eO-eO
GEMMA con modos Al-F2-Fl¡ Figura 8.34.
Fl-A3-A4¡
Fl-F3-Al
Ejemplo 8.2.2. GRAFCET del proceso con los modos considerados
Queda como ejercIcIo implementar acuerdo a la guía de la Figura 8.33.
los GRAFCIT de emergencia
y parados y de otros modos, de
Fin ejemplo 8.2.2
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
393
Ejercicio 8.6
1
*. La empresa HHGR.Inc ha recibido el encargo de automatizar el sistema de etiquetaje de la figura 8.35 (vista en planta). Su función es etiquetar los paquetes que entran por la cinta CE con una etiqueta rotulada con OK y a continuación sacarlos por la cinta CS. El etiquetado se lleva a cabo en el plato giratorio.
nEt'BO
Figura
8.35.
BI
Problema 8.6.1. Diagrama del proceso de etiquetaje de paquetes
Este está dividido en cuatro zonas o estaciones: PL o zona de entrada; PP o zona de depósito del pegamento; PE o zona de depósito de la etiqueta; y PV o zona de salida. El funcionamiento automático del sistema es el siguiente: • Los paquetes entran por la cinta CE y se paran cuando llegan al tope donde está el sensor CP. La cinta CE pertenece a otro sistema. •
Con el pistón B se introduce el paquete en la zona PL.
• Se gira el plato para que el paquete pase a la zona PP. El sensor G indica cuando se ha realizado un cuarto de giro. El variador de velocidad que controla el motor del plato tiene una entrada digital MG para darle la orden de giro. • Una vez en la zona PP, se procede a depositar el pegamento sobre la cubierta superior del paquete. La máquina de pegamento tiene una entrada digital OPP para indicarle que proceda a depositar el pegamento y una salida digital PPR para indicar que ha realizado su trabajo. • Depositado el pegamento, se gira nuevamente un cuarto de giro la plataforma para ir a la zona PE y se procede a colocar la etiqueta. La máquina que deposita la etiqueta dispone de una entrada digital OPE para darle la orden de etiquetar y una salida digital PER para indicar que se ha realizado la operación. • Nuevamente se gira la plataforma para ir a la zona PV donde el pistón A, a través de la ventosa d-, toma el paquete de la plataforma giratoria y lo deja sobre la cinta CS. Hasta que no haya salido el paquete de la cinta CS
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
8. Dispositivos y Circuitos
394
TEORÍA Y LABORATORIO
Hidráulicos-Neumáticos
(sensor CS), no se toma un nuevo paquete de la plataforma entrada digitalde mismo nombre (d-).
giratoria.
La ventosa se activa a través de una
• Por supuesto, la automatización mantiene ocupadas todas las estaciones de la plataforma giratoria, siempre que lleguen paquetes suficientes por CEo Es decir, que a plena producción, se obtendría un paquete etiquetado cada cuarto de giro de la plataforma. Si no hay paquetes la plataforma permanece sin girar. Cada zona de la plataforma tiene un sensor para indicar si hay paquete en esa zona: SPL, SPP, SPE y SPV. • Los pistones A y B tienen dos entradas digitales: X+ para el avance, X- para el retroceso. digitales: XO y Xl para indicar posición mínima y máxima respectivamente. El sistema control:
tiene
dos
modos
de funcionamiento
controlados
por
un conmutador
Y dos salidas
en el pupitre
de
• Modo automático: descrito anteriormente. Hay dos pulsadores PA y PP para arrancar y parar en modo automático. Cuando se da la orden de parar, el sistema no introduce más paquetes en la plataforma giratoria y espera a que salgan todos los paquetes ya introducidos en la plataforma por la cinta CS para parar. • Modo manual supervisado: mediante pulsadores se pueden mover todos los elementos del sistema siempre. No se permite mover los pistones A y B si la plataforma no está parada en una posición correcta (sensor G activado). Además existe una parada de emergencia que se activa mediante una seta de emergencia en el pupitre de control. Existe un pulsador de rearme (además del rearme de la seta de emergencia) mediante el cual el operador indica que ya no hay situación de emergencia. Automatizar
el sistema
aplicando
la guía GEMMA:
a. Dibujar el GRAFCéT del modo de funcionamiento
automático.
b. Definir el pupitre de mando y el número de entradas y salidas digitales del PLC. c. Confeccionar el GRAFCéT final (o GRAFCéTs) para contemplar
el modo de funcionamiento
manual y la parada
de emergencia. '" Problema copiado de Internet
2*.
Se requiere
estación
consta
automatizar
la estación
de los siguientes
de embalaje
de paquetes
indicada
en la figura
•
Cinta transportadora
•
Cilindro B donde se van depositando los paquetes que van llegando por la banda y se van apilando.
•
Cilindro A que introduce los paquetes en la caja de cartón.
•
Plataforma giratoria accionada por el cilindro B que deposita la caja sobre la cinta transportadora
El funcionamiento
8.36.
La
elementos:
por la que ingresan los paquetes.
del sistema
de salida.
es el siguiente:
1.
Los paquetes llegan por la cinta transportadora
y se van depositando sobre la plataforma del cilindro B.
2.
Cuando el primer paquete que llegó activa el sensor tl, es señal que se completa una hilera de tres paque_ tes. A continuación el cilindro B sube a través de una sección elástica que permite el ascenso, pero no el descenso de los tres paquetes. El movimiento del cilindro B está controlado por los finales de carrera bl y b2. Esta maniobra se repite hasta alcanzar una altura de tres paquetes. Esta altura se detecta con el fin de carrera t2.
3.
Una vez se dispone de un grupo de nueve paquetes, el cilindro A avanza para introducirlos en una caja de cartón. El cilindro B sirve de guía. El sensor de sobre tensión t3 indica que el cilindro A ha introducido el paquete en la caja. Cuando el fin de carrera a2 se activa a la vez que t3, la caja está llena. Mediante la regulacrón de posición del final de carrera a2, se pueden introducir más o menos paquetes en la caja.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos 4.
395
A continuación la caja es depositada sobre la cinta transportadora de salida mediante el cilindro D. El recorrido está controlado por el fin de carrera dl. Cuando la caja es retirada, el operario coloca una caja vacía sobre la plataforma. El operario indica al sistema que la caja está colocada mediante un pedal.
Salida
Paquetes ~
. ..'
n_paquetes
//~
Llegada de paquetes
Traslado del grupo de paquetes
.)"~+!':!2'~~ ,o,ok.
\~¡;Jl
~ooh",·o\.'l..o
",r
Uegada de paquetes
Mecanism"o
de apilación de paquetes
Figura 8.36.
Problema
8.6.2.
Salida de cajas llenas
EstaciÓn de embalaje de paquetes
El sistema puede empaquetar diferentes tamaños de paquetes dentro de un cierto margen; esto se consigue variando el ajuste final del fin de carrera a2. Automatizar el sistema utilizando la guía GEMMA y obtener los diferentes GRAFCET de operación y alarmas. Dibujar el panel de control. El control debe gestionar el funcionamiento normal descrito, parada de emergencia, ajuste para diferentes tamaños de paquetes, prueba de los elementos que forman la planta y demás elementos que crea conveniente para que el sistema sea óptimo.
* Problema
copiado de Internet
Fin
ejercicio
8.6
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
396
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Laboratorio 4. Hidráulica-Neumática 1 PARTE Para este laboratorio se propone, obtener a partir de un diagrama de fases hidráulico-neumático, el circuito eléctrico, lIevarlo a un lenguaje de PLC. Luego efectuar el montaje y verificar las especifica_ ciones iniciales. Para las siguientes fases neumáticas dibujar el circuito electro-neumático que cumpla con esos ciclos. Para los cambios de las fases de los cilindros, considere los sensores que crea convenientes teniendo en cuenta que cada fin de carrera es del tipo conexión-desconexión (solo un contacto abierto y un contacto cerrado simultáneamente). Escribir el programa para cada circuito en el PLC estudiado.
1.
AUTOMATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
397
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
5.
4.
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AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
398
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
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AUTO MATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
399
TEORÍA Y LABORATORIO
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
2 PARTE Observación: Para todos los problemas propuestos en esta sección, desarrollar la solución utilizando la guía GEMMA y los distintos GRAFCETs para que los diseños sean estructurados. En todos los casos prever las fallas, averías, emergencias y realizar los diseños para todas estas alarmas. Considerar que los procesos se puedan desarrollar manual y automáticamente, en los procesos que sea posible, adicionar modos de operación por paso y prueba de test. Diseñar el panel de mando incluyendo todos los elementos de actuación y señalización.
Proyecto 1: El siguiente diagrama muestra un proceso en el que se comprime basura para reciclar, con el fin de ocupar menos espacio en los sitios de almacenaje. El sistema contiene: una banda transportadora, ta la basura compacta.
tres cilindros hidráulicos, un carro en donde se deposL
BANDA J,TRANSPORTADORA EN MOVIMIENTO
(1)
(2)
MATERIAL SIN COMPRIMIR CILINDRO
1
CILINDRO
3
'.;."
. (3)
(4) MATERIAL COMPRIMIDO
.~
Proyecto 1. Esquema del sistema para comprimir basura
El funcionamiento •
del circuito es el siguiente:
La banda inicia su movimiento
cuando el operario acciona un pulsador de arranque (start).
• Ef operario va colocando la basura previamente
pre-comprimida
sobre la banda (1).
• Cuando el material se posiciona frente a los cilindros 1 y 2, la banda se detiene (2) y estos cilindros actúan, sacando sus vástagos y comprimiendo el material reciclable (3). Observe las terminaciones de los vástagos: esto permite dar la forma de cubo del material. • Una vez se comprime la basura, los vástagos de los cilindros entran y la banda reinicia su movimiento. • Ahora el material comprimido se posiciona frente al cilindro 3; entonces la banda se detiene y el vástago del tercer cilindro sale, empujando el material a un depósito en donde se acomoda. • El vástago del cilindro 3 entra y la banda vuelve a desplazarse. Mientras que el operario coloca nuevo material para comprimir.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
400
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos • El proceso descrito se repite 10 veces, que es la cantidad de paquetes de material compacto que cabe en el carro- depósito. Cuando se llega a este número, se da un aviso sonoro para que el operario retire el carro y coloque otro carro-depósito vacío. En esta parte del proceso, la banda no se mueve; cuando se coloque el carro, la banda puede reiniciar su movimiento mediante el acciona miento del pulsador de arranque de la banda.
Todo el material sobrante, luego de ser comprimido banda.
por los cilindros 1 y 2, se recoge al final de la
Se requiere diseñar este proceso y automatizar con un PLC. Dibujar el circuito eléctrico-hidráulico, el diagrama de fases hidráulico, dibujar el diagrama laddery el listado de instrucciones del PLC utilizado. Determinar la cantidad de sensores utilizados, el tipo de sensor y su ubicación física en la estructura. Si surgen nuevas ideas para optimizar el proceso, anotarlas.
Proyecto 2:
El esquema de la siguiente figura muestra un proceso de selección.
BANDA DE DESPlAZAMIENTO DEL CILINDRO
CILINDRO
~
ALIMENTADOR
ELECTROIMÁN
PARA BOLAS
PARA BOLAS
DE BOLAS GRANDES RECIPIENTE
Proyecto
': ' W.
W '"
PEDUEÑAS RECIPIENTE
2. Esquema de un sistema que selecciona esferas
Consiste en seleccionar unas esferas de acero que tienen dos tamaños. De acuerdo al tamaño, un cilindro recoge la esfera y la traslada a un recipiente en el que cabe la esfera del tamaño adecuado. El sistema contiene: una banda en la que se fija un cilindro. Esta banda se desplaza gracias a un motor; el motor tendrá que invertir su sentido de movimiento de acuerdo a la parte del proceso. Un cilindro, cuyo vástago sale de acuerdo a las distancias que establecen las esferas; lógicamente que el posicionamiento del vástago está determinado por sensores fines de carrera. Contiene un alimentador en donde están llegando las esferas de alguna otra parte del proceso. Al lado derecho del alimentador se tienen dos recipientes dentro de los que se colocan las esferas de acuerdo a su tamaño. EJ.funcionamiento • Inicialmente
del sistema es el siguiente:
el cilindro se posiciona sobre la esfera que va a ser recogida (ver figura superior) .
• El vástago del cilindro sale y sensa la esfera.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO
401
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos • En ese momento un electroimán
magnetiza la terminación
del vástago y como un imán¡ atrapa la esfera.
• El vástago sube con la esfera adherida y la banda desplaza al conjunto hacia la derecha y posiciona al cilindro sobre el recipiente correspondiente¡ de acuerdo al tamaño de la esfera que lleva. • El vástago baja y cerca al recipiente suelta la esfera (el electroimán se desenergiza). • El vástago sube y el cilindro se desplaza hacia la izquierda para posicionarse sobre la siguiente esfera a recoger. • El proceso se repite. • En alguna forma se debe sensar que hay esferas en el alimentador.
Se debe diseñar el sistema¡ colocando todos los sensores que sean necesarios. Dibujar el circuito eléctrico-hidráulico¡ y el programa en el PLC que desee. Dibujar el diagrama ladder.
Es importante detallar los puntos en donde se colocan los sensores y los tipos de sensores adecuados. Si hay sugerencias para optimizar el proceso¡ anotarlas.
Proyecto
3 (Copiado
del manual: colección de ejercicios de FESTO).
El diagrama que se muestra es el de una embotelladora
de frascos para productos farmacéuticos.
~
A LO ;
B 2.0
Proyecto
3. Esquema de embotelladora
}
-t
s-~
1ZfSJ -1-. .--,-+ i.rs¡q
1=
de frascos
Los frascos para productos farmacéuticos avanzan sobre una banda de funcionamiento continuo¡ hasta llegar lateralmente con el vástago de un cilindro separador (B). El cilindro (A) cierra el depósito del producto. También se indica el diagrama de fases de los dos cilindros¡ que¡ como se observa¡ sigue la secuencia: A+ 1 A-I B-I B+. Diseñar el circuito incluyendo los sensores que sean necesarios y el tipo de sensor utilizado. Automatizar el proceso con un PLC¡ así que escriba el diagrama ladder y listado de instrucciones correspondiente. Considere lo que sea necesario.
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
402
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Proyecto 4: Se requiere practicar tres perforaciones siguiente figura.
a cubos de madera como se muestra en la
El cubo tiene SOcm de lado y cada perforación debe tener una profundidad de lOcm. Los tres orificios son de igual diámetro e igual a 0.8cm. El proceso debe ser continuo. Diseñar el circuito utilizando componentes hidráulicos. Dibujar un esquema de cómo queda el sistema, dibujar el diagrama eléctrico-hidráulico, el diagrama ladder, listado de instrucciones, y el programa en texto estructurado, si el proceso se automatiza con PLC.
Proyecto 5.
(CoPiado del manual: colección de ejercicios de FESTO) :
En la siguiente figura se muestra la estructura de una máquina dobladora. La máquina se encarga de doblar piezas de chapa de diferentes espesores. Las piezas son colocadas manualmente en la máquina. Al pulsar el botón de arranque, el cilindro A prensa la pieza, el cilindro B dobla la pieza en un ángulo de 900 y retrocede inmediatamente; el cilindro C termina el doblado dando la forma que se indica. A continuación retroceden al mismo tiempo los cilindros A y C y la pieza se retirada manualmente.
Proyecto
5. Esquema de una máquina dobladora
Diseñe el sistema neumático y el circuito eléctrico. Dibuje el diagrama neumático. Se quiere automatizar el proceso con un PLC, así que dibujar instrucciones correspondiente y el diagrama GRAFCIT. Hacer las consideraciones que crea convenientes.
el diagrama
ladder, el listado de
AUTOMATlZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos- 'eumáticos
Proyecto 6.
403
(Copiado del manual: colecdón de ejercicios de FESTO):
El proceso que se representa en el diagrama de la siguiente figura efectúa la limpieza para carcazas. Se realiza la limpieza de piezas provenientes de una estación de taladrado y fresado. El cilindro A (1.0) desplaza la pieza desde una banda de transporte W hacia la unidad de soporte X. La pieza es sujetada por el cilindro B (2.0) Y el cilindro C (3.0) se encarga de transportarla la cabina de lavado Y.
a través de
Al término del proceso de lavado, el cilindro B suelta la pieza y el actuador D (4.0) la desplaza hacia la banda de transporte Z. El cilindro C vuelve a colocar la unidad de soporte en su posición inicial. El mando se encuentra nuevamente en posición de reposo. Con un pulsador de arranque, puede iniciarse un ciclo nuevo. Diseñar y dibujar el circuito eléctrico-hidráulico, indicando los sensores a utilizar, el tipo de sensor y su ubicación en la planta, dibujar el diagrama de fases de 105 cilindros. Automatizar el proceso con un PLC, así que dibujar el diagrama ladder y su listado de instrucciones correspondiente.
Proyecto
6. Esquema del proceso de limpieza de carcazas
Anotar sus sugerencias para optimizar el proceso.
Proyecto 7. (Copiado
del manual: colección de ejercicios de FESTO):
El siguiente diagrama representa un proceso de una banda transportadora nes.
con cargador y dos estacio_
Una banda transportadora alimenta piezas brutas en forma de paralelepípedos a dos estaciones de taladrado X -Y, dispuestas una detrás de la otra. La primera pieza (1 en la gráfica) es extraída del cargador y alimentada a la estación de trabajo X.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
404
TEORÍA Y LABORATORIO
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos~Neumáticos
En esta estación se efectúa el taladrado horizontal (can un diámetro de Smm). Al extraerse la segunda pieza (2 en la gráfica), la primera es transportada estación Y.
de la primera
a la segunda
En esta segunda estación se efectúa el taladrado vertical (can diámetro de 22mm). Un expulsar neumático se encarga del soplado de las virutas. Al extraerse la tercera pieza, la primera cae en una caja (en la figura se muestra el aspecto de la pieza terminada). La estación de trabajo X está provista de una unidad de avance horizontal La estación de trabajo
e, can
cilindro de freno.
y está provista de una unidad de avance vertical D con cilindro de freno
•.
Proyecto 7.
Esquema del proceso de taladrado de piezas metálicas
Al término del proceso de taladrado de la estación Y, un expulsar neumática E se encarga de expulsar las virutas. Los cilindros de arrastre B y B ' A son utilizados para poder transportar piezas de longitudes diferentes. Dibujar el diagrama de fases de los cilindros (5 cilindros) Diseñar el circuito eléctrico-neumática-hidráulica, Determinar máquina.
de acuerdo a la descripción del proceso.
la cantidad de sensores que utiliza la planta, los tipos de sensores y su ubicación en la
Automatiza el proceso utilizando un PLC. Dibujar el diagrama ladder y su listado de instrucciones. Asumir lo que requiera y anotar sus comentarios o alteraciones para optimizar el proceso.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA
405
Y LABORATORIO
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
.~
8.
El siguiente es un circuito electro-hidráulico. Se presenta el circuito hidráulico y el diagrama Ladder. Para el funcionamiento, accionar en el orden que se indica: 1. motor-start y 2. Start-stop.
2
"'~ WLúJ
2 I
'
,'
L~UI
.'
8.1. Explicar con detalle el funcionamiento. 8.2. Dibujar el diagrama GRAFCET 8.3. Escribir el programa en listado de instrucciones y texto estructurado.
Proyecto 9. El proceso que se muestra en el siguiente esquema consiste en transportar cajas de distinto material, practicarles una marca y finalmente colocarlas en dos depósitos, de acuerdo al mate_ rial. La explicación detallada del proceso es: 9.1. Desde el DISPENSADOR un cilindro C1 coloca cada caja en la CINTA TRANSPORTADORA 1.
9.2.
La caja es colocada sobre una PLATAFORMA que esta unida al vástago del cilindro C7.
9.3. Dos cilindros C2 y C3 la aprisionan y luego el cilindro C4 le practica una marca. 9.4. Se liberada la caja y el cilindro C7 retrae su vástago.
AUTOMATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
406
TEORÍA Y LABORATORIO
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
9.5. Con el vástago del cilindro C7 completamente adentro, uno de los dos cilindros C5 o C6 con su vástago empuja la carga para depositaria en otra banda transportadora, así: si la caja es de aluminio, el cilindro CS la deposita sobre la BANDA TRA SPORTADORA 2, y de allí se deja caer al DEPÓSITO 1. Si la caja es de plástico, es el vástago del cilindro C6 que la coloca sobre la ONTA TRANSPORTADORA 3, de donde se lleva al DEPOSITO 2.
9.5.
El vástago del cilindro
O
vuelve a extenderse, en espera de otra caja.
9.6. En el instante en que el vástago del cilindro C7 comienza a salir, el vástago del cilindro C1 comienza a seleccionar otra caja. 9.7. En todo momento la banda transportadora
1 está activada.
9.8. Las bandas transportadoras 2 y 3 sólo operan cuando el vástago del cilindro C7 ha entrado completamente; y se energiza la cinta transportadora que va a arrastrar la caja correspondiente, así, si la caja es de aluminio, únicamente opera la cinta 2, mientras que la otra banda está apagada. 9.9. En el caso que se acaben las cajas en el dispensador, avisar con una alarma; cuando en cada depósito se tengan 20 cajas, detener el proceso hasta que se desocupe ese depósito.
DISPENSADOR
, C4
1'10TOR
1
CINTA TRANSPORTADORA
1
C6~==-=-~
DEPóSITO
Proyecto 9.
1
DEPÓSITO 2
Esquema del proceso de transporte,
Diseñar el circuito electro hidráulico o neumático programa en los cinco lenguajes para PLC.
marcado y selección de piezas
que cumpla con las especificaciones.
Escribir el
AUTO MATIZACIÓN
8. Dispositivos
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
407
y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Proyecto 10. El siguiente es otro proceso en el que se llenan recipientes con tres, dos o una sustan_ cia, luego se tapa y almacena.
DlSPENSADOR PROGRAI~A[lOR
[lE SUSHNCJAS
lt='Jl9l9 rarara
SUSTl
SUST2
SlJST3
Cl
e2
C6
tvlESA DE lRAr.AJO
C7
-,~. DEPÓSITO
Proyecto 10.
Esquema del proceso de llenado con diferentes
sustancias
El proceso se describe en la siguiente forma. 10.1. Se dispone de un dispensador que no deja caer recipientes.
de los recipientes.
El vástago del cilindro Cl está fuera (Cl +), de manera
10.2. Previamente, se programa la cantidad de sustancia que se va a verter en el recipiente, así que se tienen tres dispensadores de sustancia 1, sustancia 2 y sustancia 3 (sustl, sust2, sust3). Por ejemplo, se va a verter: 3 partes de sustancia 1, una parte de sustancia 2 y 4 partes de sustancia 3. 10.3.
Mediante un pulsador de marcha se pone en acción el proceso.
lOA.
El vástago del cilindro C8 sale (C8+) hasta ubicarse en la posición A.
10.5. El vástago del cilindro Cl se retrae (Cl-), cilindro Cl (Cl +). 10.6.
cae recipiente sobre la plataforma y vuelve a salir el vástago del
El vástago del cilindro C8 entra (C8-) hasta ubicarse en la posición S, quedando al nivel de la mesa.
10.7. El vástago del cilindro C2 sale (C2+) desplazando el recipiente sobre la mesa de trabajo, hasta ubicarlo en la posición C. El vástago del cilindro C3 deposita una parte de la sustancia 3. Como se van a verter 3 partes, de acuerdo al ejemplo, entonces el vástago de este cilindro sale y entra 3 veces. 10.8. El vástago del cilindro C2 sigue saliendo hasta ubicar el recipiente en la posición D. El vástago del cilindro C4, sale y entra el número de veces programada, vertiendo cada vez una parte de la sustancia 2. 10.9.
El vástago del cilindro C2 sale hasta ubicar el recipiente en la posición E, en donde el cilindro que suministra
la sustancia 3 deposita el número de partes programada.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
408
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos 10.10. El vástago del cilindro 2 entra completamente (C2-) Y luego el vástago del cilindro C6 sale (C6+) empujando el recipiente hasta ubicarlos sobre la plataforma. Luego entra (C6-). 10.11. El vástago del cilindro C8 entra trasladando al recipiente en la posición F 10.12. El vástago del cilindro C7 arrastra al recipiente desde la plataforma hasta el primer escalón de la escalera eléctrica. El vástago de este cilindro entra y simultáneamente la escalera eléctrica comienza a moverse. Llevando al recipiente hasta ubicarlo en la posición G. Allí se detiene. 10.13. El vástago del cilindro C8 sale (C8+) colocando una tapa al recipiente. El vástago de C8 entra (C8-). 10.14. La escalera reinicia su movimiento, llevando al recipiente al depósito. 10.15. Simultáneamente, cuando el vástago de C7 entra (C7-), el vástago del cilindro C8 inicia otro recorrido, repitiendo desde el paso lOA.
Si se tiene que cambiar la cantidad de partes de sustanciar se debe limpiar el programador de sustancias y reiniciar el proceso desde el paso 10.2. Se deben programar alarmas y paros de proceso cuando: no hay recipientes dispensador, cuando el número de recipientes sellados en el depósito llega a 20.
en el
Diseñar el proceso para que cumpla las especificaciones. Desarrollar el programa de PLC utilizando los cinco lenguajes estudiados. Hacer las consideraciones que crea convenientes que mejoren el proceso.
Proyecto 11. El siguiente es un proceso para la fabricación de bridas. La planta de fabricación de bridas que se pretende automatizar consta de los elementos indicados en la figura Proyecto 11 (arriba) y debajo de la figura se muestra otra vista de la misma.
El funcionamiento del proceso es: Los anillos de aproximan desde la célula de fabricación de anillos a la taladradora por la Cinta 1. Los anillos irán pasando a la mesa sobre la que está situada la taladradora cuando el detector de proximidad D1 (situado en la Cinta 1) detecte un anillo, en ese momento dicha cinta se parará y el cilindro CILl lo llevará hasta situarlo a la altura del cilindro CIL2, que será el que lo empuje hasta colocarlo a la altura del cabezal multibrocas, centrándolo y comprL miéndolo contra un tope fijo. Este cilindro tendrá un presóstato (Dpre) para regular la presión de apriete y avisar al controlador de que el anillo está suficientemente apretado y puede comenzar la operación de taladrado. En el tope fijo hay un detector de proximidad CDpos) que detecta el anillo a una distancia máxima de 1 mm para evitar que, por ejemplo, una viruta se interponga entre el tope y la pieza base, lo cual podría causar un mal posicionamiento del anillo. Una vez que el presóstato y Dpos indican que el anillo está bien colocado y sujeto, el control hará descender los mecanismos que portan la taladradora y el motor de giro, M1, por medio del motor M2. El recorrido del motor M2 está limitado por los detectores de final de carrera nO 1 y nO 2 CDFC1 y DFC2). Una vez que el M2 alcance la posición más baja se parará y empezará a funcionar el motor M1, el cual se desplazará hasta alcanzar la posición detectada por DFC1 a la par que hace girar las brocas. Una vez taladrado el anillo, el cabezal multibroca se retirará y en ese movimiento las broca s seguirán girando para evitar que se enganchen en la nueva brida creada a causa de las virutas. Cuando haya concluido el proceso de taladrado una trampilla situada debajo de la brida será retirada por medio del cilindro CIL3, provocando su caída sobre la Cinta 2, que llevará la brida a la estación de control de calidad y empaquetamiento.
AUTOMATIZACIÓN
8.
INDUSTRIAL:
409
TEORÍA Y LABORATORIO
Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Bridas Defectuosas
o PRESOSTATO
Oprf'
BRIDAS
I
© ©©@] CINTA
I
OCn:CT
o
CIL
o
Proyecto 11.
Proceso de la fabricación de bridas. Dos vistas de la planta
CINTA
3
D
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
410
8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
Sobre la Cinta 2 habrá un sistema de visión artificial que comparará la brida recién fabricada (forma, dimensiones, ...) con un modelo que tendrá memorizada su imagen en un PC que portará la cámara de visión artificial y el software de evaluación y control de la calidad recibiendo y enviando información del y al controlador. Para completar este proceso, en la Cinta 2 habrá un detector denominado DVA que actuará por medio del flanco descendente al paso de la brida. En dicho instante la cinta se parará para que la cámara examine la pieza. Si está dentro de tolerancia la Cinta 2 volverá a arrancar y si no lo está, el cilindro CIL4 se encargará de empujarla para hacerla caer a un cajón de bridas defectuosas. Las bridas consideradas como buenas seguirán en la Cinta 2 hasta caer en unas cajas para su poste_ rior empaquetamiento. Inicialmente, el número de bridas por caja será 10, aunque dicho valor podrá ser modificado por el operador. Al final de la Cinta 2 se colocará un detector que cuente el número de bridas en el palet actual. Cuan_ do se tengan tantas como el límite fijado, la Cinta 2 se parará y arrancará la Cinta 3, que será la encargada de llevar la caja llena de bridas al almacén. En la Cinta 3 habrá situado un detector de cajas (De) cuya misión será posicionar de forma correcta las cajas para que las bridas caigan en ellas. A partir de este punto de la secuencia el ciclo vuelve a comenzar. Se lleva un conteo de las bridas defectuosas. Si el número de estas bridas es 4 consecutivamente, se debe parar el proceso e indicar mediante una alarma sonora que se tiene problemas. Luego de determinar y corregir el problema, con un pulsador de arranque se reinicia el proceso. El contador de bridas correctas no se debe reiniciar. Igualmente, cuando se completa el número de bridas del lote, se indica con otra señal audio-visual, para que se retire el contenedor. Diseñar el sistema y sugerir si es posible hacer mejoras para optimizar la producción.
Proyecto 12. Considerar el proceso descrito en el ejemplo 8.1.
Es un proceso de maqui_ nado de ciertas piezas. La estructura está formada por tres cilindros de doble efecto que son controlados por válvulas, un depósito dispensador de las piezas y una rampa con rodillos para que las piezas ya maquinadas se deslicen y sean retiradas. Diseñar los programas de control basado en los lenguajes GRAFCET y/o texto estructurado. Diseñar la guía GEMMA que contemple todos los sistemas de producción, manejo manual y automático y los sistemas de emergencia y alarmas y los GRAFCET correspondientes. Diseñar y dibujar el panel de control de acuerdo a la guía GEMMA.
13. Problema: Basado en los problemas anteriores, diseñar un proceso de naturaleza industrial (que desarrolle algún tipo de fabricación continua o discreta), en el que se incluya elementos eléctricosneumáticos Y/o hidráulicos y PLC. Detallar con un esquema la planta y explicarla, dibujar el correspondiente diagrama de fases de los cilindros (utilizar mínimo 4 cilindros), dibujar el circuito eléctrico-neumático diseñado, realizar el programa en GRAFCET Y/o texto estructurado del PLC. Ubique los sensores en la máquina diseñada y la naturaleza de esos sensores. Diseñe la guía GEMMA contemplando los modos de operación, de manejo automático, manual, ciclo a ciclo, de test, los sistemas de emergencia, etc y los GRAFCET correspondientes a los modos. Diseñe y dibuje el panel de control de acuerdo a la guía GEMMA establecida. Anote todos sus comentarios.
Fin laboratorio 4
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 8. Dispositivos y Circuitos Hidráulicos-Neumáticos
8.6.
411
Conclusiones
El estudio riguroso de la hidráulica y neumática, implica cubrir varios temas de física, así que la exposición presentada en estos capítulos es apenas una muestra rudimentaria de estas tecnologías tan ampliamente utilizadas en el campo industrial. Los temas desarrollados
están más orientados
algunos dispositivos hidráulicos-neumáticos triales y su identificación simbólica.
hacia el funcionamiento
básico de
que forman parte de las plantas indus_
A pesar que los estudiantes de ingeniería electrónica reciben en física, algunos temas relacionados con estos fluidos, sin embargo, este tema es más del perfil del ingeniero mecánico. Pero no hay que olvidar que los circuitos que van a controlar la operación de estos sistemas, son electrónicos, es aquí en donde el ingeniero electrónico, debe tener por lo menos idea de su funcionamiento y operación y esto también implica el trabajo multidisciplinario de los ingenieros de diferentes disciplinas. Se hace interesante la integración de las diferentes tecnologías estudiadas hasta esta parte: la eléctrica, hidráulica-neumática, electrónica con el PLC y las guías GEMMA para la implementación de los tableros de control-supervisión y alarmas. Todas estas tecnologías están presentes en cualquier proceso industrial, en· cualquier planta de manufactura y operan de manera armónica y sincronizada como se espera para lograr los productos de mejor calidad.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
412
9 .Modelamiento de los Sistemas de Eventos Discretos:
Redes de Petri y Cartas de Estado
9.1.
Introducción
t
En todos los capítulos estudiados, la teoría, ejemplos, ejercicios y labora_ torios de procesos industriales, se enmarcan dentro de los sistemas de eventos discretos, tema mencionado en el capítulo 2, sección 2.9. Estos procesos se caracterizan porque su evolución depende de las acciones o eventos que se ejecutan sobre el proceso. Los sistemas de eventos discretos son estudiados desde dos frentes: Matemáticamente, cuyos modelos describen el control y análisis del comportamiento de los sistemas. La síntesis de los sistemas de control se construye basada en esos modelos. Los DES (Discrete Event System) están basados en las máquinas de estados finitos, donde las transiciones entre estados discretos son identificadas como eventos instantá_ neos. El controlador (conocido como supervisor) tiene una tarea principal como es habili_ tar o deshabilitar los eventos. Uno de los problemas que tiene el modelo basado en máquinas de estado finito es el crecimiento exponencial de los estados si el sistema modelado es grande; entonces se desa rrolla ron las máquinas de estado jerárquicas (versión simplificada de las Statechart), usa_ das para manejar el problema de la complejidad de los sistemas ya que introduce el principio de agregación y descomposición.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de E entos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
413
El otro frente de estudio de los sistemas discretos se basa en la lógica de los proce_ sos discretos, siendo una de las herramientas de modelaje importantes la teoría de las redes de Petri. Esta metodología matemática y gráfica diseña interfases que refle_ jan la estructura lógica de los sistemas modelados. Entonces las Redes de Petri son más intuitivas que los modelos basados en autómatas. Los conceptos de las Redes de Petri han dado soporte para el desarrollo de un formalismo llamado GRAFCET inventado en Francia; así que hay una equivalencia gráfica entre los elementos de las Redes de Petriy el GRAFCET. Una ampliación de los formalismos de las máquinas de estado y de los diagramas de estado, son las cartas de estado (Statechart) que son extensión de los diagramas clásicos de estado-transición hacia tres elementos principales: jerarquía (Hierarchy) concurrencia Esto transforma el lenguaje de los diagra_ (Concurrency) y comunicación (Communication). mas de estado en un lenguaje más altamente estructurado. El capítulo esta dividido en tres partes. En la primera parte se estudian los funda_ mentos de las Redes de Petr!, en la segunda parte se da una mirada rápida a la herramienta Statef/ow de Mat/ab que modela las cartas de estado; en la tercera parte del capítulo se hace el análisis con diferentes ejemplos de RdP y se trasladan a Statef/ow, utilizando un programa en Mat/ab desarrollado por el autor.
Parte 1 .'f <
9.2.
Redes de Petri En 1962 el matemático
Automaterf propuso una metodología en los sistemas de computación.
alemán Car/ Adam Petri en su tesis doctoral 'Kommunikation
Mit
para resolver los conflictos de concurrencia que se presentaban
Su propuesta despertó el interés de algunos científicos, quienes vieron en el trabajo del Dr. Petri un atractivo campo de investigación, especialmente en el modelaje de sistemas que presentaban ciertas características, tales como secuencialidad, paralelismo, conflicto, sincronización. Estudios posteriores perfeccionaron esta teoría y se adoptó el nombre a esta metodología matemático-gráfica como Redes de Petri, en honor a su inventor. Se destaca dentro de las aplicaciones, la inspiración de los diagramas GRAFCET, que fueron inventados en Francia y que son incorporados por fabricantes de los controladores lógico programables.
Las Redes de Petri (en adelante: RdP) son una herramienta de modelamiento gráfica y matemática que se aplica a variados sistemas. Como se mencionó, poseen propieda_
•
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
414
des como: secuencíalídad, recurrencía, conflicto, sincronismo y pueden modelar siste_ mas con conflicto y con recursos compartidos (en los sistemas de manufactura). Como herramienta gráfica, las redes poseen símbolos que las identifican y distinguen de otras metodologías de modelaje. En la figura 9.1 se ilustran los símbolos gráficos que contiene cualquier RdP. En la figura 9.1(A) se distingue: Arcos son segmentos dirigidos con un extremo terminado en fle_ cha. Lugar representado con círculo. Transición, objeto representado como una barra o, en algunos casos, como un rectángulo. Marcas (Tokens) son puntos que van dentro de los círculos; cuando el número de marcas es grande, se coloca un número. En la figura 9.1(8) se presenta una RdP básica con los elementos anotados. Alternada_ mente se coloca lugar y transición y el enlace entre esos objetos es mediante los arcos. El primer lugar (po) tiene una marca, así que es un lugar marcado, mientras que el otro lugar (P1) es no marcado.
----->
Arco (Are)
r?' PO ~_)
po
O
~
I
Lugar (place)
¡,,"o,,, ,,''".
Transición (Transition)
~¡
P1~~/
P10
Lugar marcado
(B)
(A)
Figura9.1.
9.3.
,/l,rco de entrada
(A) Elementos de las RdP.
(B) RdP
con los elementos
Definición formal Una RdP se define como una 5-tupla: PN
= (P, T, F, W, Mo)
(9.1)
En donde: p es el conjunto finito de lugares: P = {PlI P2I·.., Pn}
nEN
(9.2)
T es el conjunto finito de transiciones: (9.3) F es el conjunto de arcos:
F
e (P X T) u (T X
P)
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
PnT = 0, PuT *0
415
(9.4)
La expresión (9.4) significa que el conjunto de arcos es la unión de los arcos que entran a las transiciones y los arcos que salen de las transiciones. Entonces se tienen: arcos de entrada W
y
arcos de salida
es el conjunto de pesos que se asignan a los arcos: w= f(l, 2,...)
(9.5)
En la figura 9.1(8) los dos arcos indicados tiene peso uno, así que se trata de una RdP ordinaria. Cuando el peso de los arcos es uno, no se indica número en el arco. MO es el marcado que tiene inicialmente la red (marcado inicial). Las marcas indican disponibilidad de recursos y son números enteros positivos: MO E z+
(9.6)
La siguiente es una definición generalizada entre la mayoría de documentos referen_ tes al tema: Una PetriNet
es una clase particular
de grafo dirigido,
llamado marcado inicial MO. Es un grafo nadas llamados lugares y transiciones. con las transiciones, la transición lugar.
bipartito
junto con un estado inicial
consistente
de dos clases de
Los arcos son los que enlazan a los lugares
así que se tienen los arcos de entrada, que unen un lugar con
y los arcos de salida, que es el grafo que une a la transición
con un
Un marcado M es un m_vedar donde m es el número total de lugares y M(p) es el número de marcas en el lugar p. ~.
Ejemplo 9.1 El siguiente proceso_pruebal es de algún proceso de manufactura. El dibujo de la RdP de la figura 9.2 se realizó en un tool de simulación llamado PIPE (Platform Independent Petri-Net Edito!). Es un software libre que se puede descargar de Internet junto con otros documentos (todos los procesos_ prueba analizados en este capítulo son dibujados en PIPE). El proceso_pruebal contiene ocho lugares y seis transiciones. secuencia, igual que los lugares p2, p4 Y p6.
Los lugares: pl, p3, p5 forman
una
Así que este proceso tiene dos secuencias paralelas (pueden evolucionar simultáneamente) El lugar p7 es un lugar compartido, que en términos de manufactura puede ser una máquina o un operario.
es un recurso compartido,
como
Los lugares pl y p2 indican la operación de dos productos diferentes. El lugar p8 es un lugar común a las dos secuencias, al igual que la transición productos procesados. De las expresiones (9.2) a (9.4) se obtiene:
ts, aquí se tienen los dos
AUTO MATIZACIÓN
9.
INDUSTRIAL:
416
TEORÍA Y LABORATORIO
Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
P1q~ \
\
ni
" \
\
"
y
1
V /
\ \731
I
T4
\
y
/
\(lps ~/ \ \
\
~ /
TS¿
/I
\~
\p3
/
'"
Figura9.2.
Red de Petri del procesoyruebal
El conjunto lugares es: P = {pl, p2, p3, P4, ps, p6, p7, ps} El conjunto transiciones: T = {tl, t2, t3, t4, ts, t6} Conjunto de arcos de entrada: PxT= {pltl,
P2t2, P3t3, P4t4, psts, p6ts, PSt6, P7tl, p7t2}
Conjunto de arcos de salida: TxP= {tlp3, t2p4, t3ps, t4p6, tsps, t6pl, t6p2, t3p7, t4p7} El peso de todos los arcos es uno, así que es una RdP ordinaria. El marcado inicial es: MO(p) =(110
O O O 1 O)
Como está realimentado desde la transición t6 a los lugares pl y p2, indica que es una red que procesa infinitas piezas (RdP infinita, consideración del autor). Si se suprimen los arcos de salida t6pl y t6p2, a los lugares pl y p2 se deben colocar tantas marcas como piezas se deban procesar. Esta situación indica red finita (consideración del autor). Una forma conveniente de manejar las definiciones anteriores, es mediante el álgebra, expresando en forma vedorial y matricial todos los elementos de la RdP. Retomando la figura 9.2, se define la matriz de los arcos de entrada deducida de (9.4) como: O 1 O O O 1O 100 OO1p4 O 100 Oti O 1 t2 O t3 O t4 t5 t6 110 uOO
p5 p7 p8 1'16 p3
r=
r,
p2 pi
En adelante se identifica como es decir, la matriz de incidencia de entrada que indica los arcos que entran a las transiciones, provenientes de un lugar. En las filas de la matriz se colocan los lugares y en
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
417
r
las columnas las transiciones, aunque esto es indiferente. La matriz de incidencia de salida corresponde a los arcos que salen de las transiciones y van a un lugar y que para la Figura 9.2 y de la expresión (9.4) es:
o O O O O 1 O O O O O 1 1 O O O O O r+
O 100
=
O O
O O 1 O O O
O O O 100 O O 1 100 O O O O 1 O
1
Por último, se define la matriz de incidencia como: r = r+ -
r
-1 o o -1 1 o o 1 1 =
(9.7)
o o o o o o -1 o o o -1 o o o 1 o -1 o o o 1 -1
-1 -1 1 1 o o o o
1 1 o o o o
o o
1 -1 Fin ejemplo 9.1
9.4.
Evolución de las RdP Se establecen tres reglas para la evolución en una RdP:
1. Una
transición está habilitada si cada lugar de entrada tiene mínimo tantas marcas como es el peso del arco de entrada. La transición t1 de la figura 9.2 tiene los lugares de entrada pl y p7. Cada lugar tiene una marca y el peso del arco (plt1) y (p7tl) es uno, así que esta transición está habilL tada. Igual sucede con la transición t2. La transición ts tiene como lugares de entrada ps y P6, pero estos lugares no tienen marcas. El peso de los arcos (psts) y (p6t5) es uno. Pero como el número de marcas de los lugares de entrada es menor que el peso de los respectivos arcos, entonces la transición ts no está habilitada.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
418
2. Una transición que está habilitada puede o no disparar, dependiendo del evento que la gobierna. Si el evento se da, la transición se dispara efectivamente. Si no se da el evento, la transición no se dispara. 3. Una transición disparada, evoluciona quitando w(p,t) marcas de los lugares de entrada y añadiendo w(t,p) marcas a los lugares de salida. es el peso del arco de entrada y w(t,p) es el peso del arco de salida.
w(p,t)
Ejemplo 9.2 La figura 9.3(A) muestra una RdP con 6 lugares, 3 transiciones y algunos arcos de entrada y salida con pesos diferentes de la unidad.
Figura9.3.
RdP que ilustra la evolución de la red. (A) Red inicial (B) Red después de disparar t2 (C) Red luego de disparar t3
Las características de la red de la figura 9.3 son: -
Los lugares po, pl y p2 no tienen arco de entrada; a estos lugares se les denomina lugares fuente (source place). El lugar p6 no tiene arco de salida, por lo que se denomina lugar sumidero (sink place). La red es finita, ya que no hay arcos que enlacen al lugar p6 con los lugares po, pl y p2. El peso de algunos arcos es mayor que la unidad, así que la red se conoce como RdP generalizada. Determinando las especificaciones de la red de la figura 9.3 se tiene:
L
-1 -1 -2 -1 O 3O1 2O3 O 1O2Or =de -3Oincidencia: 2 O2 Matrices
3
O
r+=
...
AUTOMATIZACIÓN
9.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
419
Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Peso de los arcos de entrada de la expresión (9.5): w(potl)=3,
w(p1ti)=3,
W(p1t2)=l,
W(p2t2)=1, w(p3t3)=2,
w(p4t3)=l,
w(pst3)=2
Peso de los arcos de salida: w(tlp3)=2,
w(tip4)=2,
W(t2p3)=3, W(t2pS)=1, W(t3p6)=1
Los demás arcos no indicados no enlazan lugar con transición, por lo que su peso es cero, así que no se incluyen. Los elementos de las matrices de incidencia indican el peso de los arcos. Marcado inicial:
MO = (42 1 O 1 1 O)
El análisis de evolución se explica así: De la figura 9.3(A) la transición ti tiene arco de entrada desde po con peso 3, así que el lugar po debe tener mínimo tres marcas, y efectivamente cumple la condición; además, el arco de entrada a tl que enlaza con el lugar pi tiene peso 3 por lo que el lugar p3 debe tener mínimo tres marcas. Como se observa en la figura, ese lugar tiene sólo 2 marcas, luego no cumple la condición. Como no todos los lugares cumplen la condición para permitir el disparo de tl, significa que esa transición no es dispara_ ble (no cumple primera regla de evolución). Igual análisis se realiza para la transición t2: el arco de entrada que la enlaza con el lugar pi tiene peso uno y el lugar tiene dos marcas, cumple la condición; y el arco que enlaza a t2 con p2 es de peso uno y el lugar pi tiene una marca, así que la transición es disparable. Para t3, sólo el lugar p4 cumple la condición, entonces t3 no es disparable. Se efectúa el disparo de la transición t2 y el resultado se muestra en la figura 9.3(6). El arco de salida que enlaza a t2 con p3 tiene peso 3, así que coloca en el lugar p3 tres marcas. El arco que enlaza a t2 con ps tiene peso unidad, por lo que coloca en el lugar ps una marca más una que tenía, en total queda con dos marcas. M1 = (4 1 O 3 1 2 O).
El nuevo marcado es:
Se hace otro análisis de las tres transiciones. disparable ya que:
tl
no es disparable,
t2 no es disparable y t3 si es
M(p4)=1 y W(p4t3)=1, M(p3)=3 y w(p3t3)=2, M(ps)=2 Y W(pst3)=2, es decir, las marcas de cada lugar de entrada supera o es igual al peso de los correspondientes arcos de entrada. Entonces t3 es dispara_ ble. Se valida el evento para t3 y la red evoluciona como muestra la figura 9.3(C). El nuevo marcado
es: M2= (4 1 O 100
1)
Aquí finaliza la evolución de la red (por esto es red finita). Se puede formalizar el análisis anterior para una RdP ordinaria: Sea tk habilitable en el marcado M si:
'v'pi El
- (tk),
mi ~ 1
El marcado M' obtenido desde M por el disparo de ti(, se dice inmediatamente satisface las siguientes relaciones (para RdP ordinaria):
M'(pi)=
M(pi)-l M(pi) {M(PO+l
si
pi'lr(tk),piEr(tk)
en otro caso si cualquier piEr(tk),pi'lr(tk)
(9.8) alcanzable (reachable) si
(9.9)
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
420
9. Modelamiento de los sistemas de Ev~ntos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
La figura 9.4 explica gráficamente las relaciones anteriores.
Pj/..-.......
\_)
Figura 9.4.
Modificación en el número de marcas en pi como consecuencia del disparo de
La alcanzabilidad desde M hasta M' se representa significa: el disparo de t alcanza a m' desde m.
como:
M ~M'
tk.
o m[t>m',
Para una RdP generalizada, la formalización anotada cambia a:
M'(pi)=
M(pi)-w(pitk)
si
pi~r(tk),piEr(tk)
(9.10)
M (pi) en cualquier caso pi ~ r(tk) {M(Pi)+W(tkPi) si pi otro E r(tk)' Fin ejemplo 9.2
9.5.
Modelamiento de sistemas
Las RdP usadas para modelar sistemas reales son algunas veces referidas como redes de condición-evento (cQmo sucede con los sistemas DEDS). Los lugares se aso_ cian a las condiciones de las partes del sistema como: trabajando, ocupado, libre, en cola, o el estado del recurso; las transiciones describen los eventos que suceden para que se produzca el paso de una condición a otra: fin de tarea, reparación, falla. Como se anotó en la sección anterior, un evento ocurre (dispara la transición) cuando todas las condiciones se satisfacen (marcados de los lugares y peso de los arcos de entrada). El número de marcas en un lugar se asocia a la cantidad de recursos disponibles o piezas a procesar. Cada disparo y evolución de la red provoca su alteración y consecu entemente el proceso cambia; por ejemplo, el disparo de una transición y evolución de la red pueden indicar: recursos están disponibles o son ocupados, piezas han sido procesadas, están en proceso, o son transportadas. Estos cambios llevan a un nuevo marcado de la red, tal como se explicó en el ejemplo 9.2.
AUTO MATIZACIÓN
9.
Modelamiento
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
421
de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y cartas de Estado
Ejemplo 9.3 El modelamiento de los sistemas mediante las RdP, permite disponer los lugares y transiciones en diferentes formas; en la figura 9.5 se ilustran estas formas de disposición. Es una RdP que modela algún sistema real; dispone de 18 lugares y 15 transiciones. El peso de todos los arcos es uno, así que se trata de una red ordinaria.
Secuencialidad: Los elementos PO-t1-Pi-t2-P2-t12 están dispuestos en secuencia, es decir, para que active Pi, debe ser disparable ti, para que active p2, debe ser disparable t2. También se presenta secuencialidad pg-t13-P13-ts-p i2-tO.
con los elementos P3-0-P4-t4-PS-tS, con P6-t7-p7-t6-PS-tll
y con
Figura 9.5
Diferentes disposiciones de los elementos: lugares y transiciones en una RdP (A) Lugares en conflicto. (B) lugares con arcos inhibitorios
Paralelismo: Cuando secuencias diferentes evolucionan en forma simultánea e independiente. Las secuencias: pO-t1-Pi-t2-P2-t12, P3-0-p4-t4-PS-ts y P6-t7-P7-t6-PS-tll son paralelas porque pueden evolucionar simultáneamente y en forma independiente. La secuencia pg-t13-P13-tS-P12-tOno es para_ lela, sino que son elementos comunes a las tres secuencias paralelas.
Decisión-conflicto: Esta es una situación que resulta cuando en un proceso se tienen recursos -comPi:lÍtidos; por ejemplo un robot debe recoger piezas que vienen por tres cintas transportadoras diferentes. Existe conflicto, porque este recurso sólo puede atender a una de las bandas. En la figura 9.5(A) los lugares piO y pll son recursos compartidos, por lo que son lugares en conflicto. Por ejemplo, el lugar piO debe atender a las transiciones ti y O, lógicamente considerando que los lugares po y p3 tengan marcas. ¿A cuál de las transiciones atenderá? En algunas situaciones el sistema tomará la decisión aleatoriamente, con probabilidad que atienda el 50% a cada transición. En otras situacio_ nes, en donde se corra el riesgo de generar cuellos de botella críticos, se deberán establecer criterios de prioridad. Para las RdP se inventó el arco inhibitorio como solución a este conflicto. La figura 9.5(B)
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
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9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
muestra para p01:3y P3t7 los arcos inhibitorios. La situación de conflicto en un lugar se asocia a una OR exclusiva en la lógica Booleana.
Confusión: Se presenta confusión entre los lugares po pl0 en la transición tl. Hay confusión con los lugares p3 y pll en la transición 1:3y se presenta confusión con los lugares p6 y pll en la transición t7. Se refiere a confusión cuando se presenta simultáneamente paralelismo y conflicto. Lazo autoa/imentado: (se/f-/oop) se define como la situación que un lugar es a la vez de entrada y salida de una transición. En la Figura 9.5 se presenta esta situación con los pares pltl y P7t9. Una forma de suprimir el lazo autoalimentado se muestra en la Figura 9.6.
-1
(Aj
(B)
Figura9.6
Eliminación de lazos autoalimentados (A) Lazo Autoalimentado (b) Eliminación del lazo autoalimentado
Una RdP que no contenga lazos autoalimentados Definición de un lazo autoalimentado: Definición de una RdP pura:
se denomina RdP pura.
P(i) E r+(pi,tk) /\ P(i) E r(tk,pi) si P(i) E r+(pi,tk) => P(i)
\f
r(tk,pi)
Sincronización: Se presenta sincronización cuando varios lugares confluyen a una transición única. En la figura 9.5 se presenta sincronización con los lugares p14, plS y p16 que confluyen a la transición t14. Para que t14 sea disparable, cada uno de los lugares de entrada debe tener mínimo una marca.
Agrupación: Disposición de varias transiciones que tienen un lugar común de salida. En la Figura 9.5, las transiciones tll, ts y t12 tienen lugar común p9 en su salida.
fin ejemplo 9.3
9.6. tienen sis de inicial dades
Propiedades de comportamiento Ya que tas RdP modelan procesos con características DEDS, entonces ellas comportamiento semejante a los sistemas de eventos discretos. Para el análi_ las RdP, se hacen dos consideraciones: propiedades que dependen del marcado MO; a estas propiedades se denominan propiedades de comportamiento. Las propie_ que no dependen de MO se les conocen como propiedades estructura/es.
En general, las propiedades que se tienen en cuenta para el análisis de las RdP son: Alcanzabilidad (Reachabi/ity), limitación (Boundedness), viveza (Liveness), (Reversibi/ity), cobertura (CoverabJlity) y persistencia (Persistence).
reversibilidad
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
423
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
9.6.1.
;i
Alcanzabilidad
Cuando se refiere a la alcanzabilidad significa que un marcado m' sea logrado a partir de un marcado anterior m, siguiendo una secuencia de disparos de transicio_ nes. A la secuencia de disparos se define como:
Así que si Mn es alcanzable desde MO, se representa como: MO[cr)Mn
(9.12)
Al conjunto de todos los posibles marcados alcanzables desde MO en la RdP de simbo_ liza como: R(MO). El problema de la alcanzabilidad es encontrar si MnER(MO), es decir, demostrar que es posible alcanzar el marcado Mn a partir del marcado inicial MO.
9.6.2.
Limitación
También referida como acotamiento. Una RdP se dice k_limitada si el número de marcas en un lugar no supera un número finito k, refiriéndose con este número como la máxima capacidad que soporta el lugar. Entonces la red está Ielimitada si: M(p)::;
k
\:f
pi
Y todo marcado MER(MO)
Una RdP se dice que es RdP segura si es l_limitada,
9.6.3.
(9.13)
es decir k=1.
Viveza
Una RdP es viva si todas las transiciones de la red son disparables. Esta propiedad se asocia al problema de la red bloqueada (deadlock). Cuando en una red se llega a una situación en que ninguna de las transiciones es disparable, se dice que la red está bloqueada. Se presentan también situaciones en que algunas transiciones no son disparables, así que esa red es parcialmente bloqueable. Se definen los grados de disparo de una transición en la siguiente forma: • • • • •
NivelO: Nivel 1: Nivel 2: Nivel 3: Nivel 4:
La transición está completamente bloqueada. la transición es disparable para algún marcado MER(MO) Dentro de una secuencia de disparos¡ la transición es disparable al menos n_veces. La transición es disparable para cualquier secuencia de disparos (infinitamente). La transición está viva en el nivel 1 para todo marcado posible MER(MO).
Generalizando para toda la red, una red está viva si todas las transiciones están vivas, o la red está parcialmente viva si algunas transiciones presentan bloqueo.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
9.6.4.
424
Reversibilidad
La reversibilidad de una RdP es la propiedad recíproca de la alcanzabilidad. Una RdP es reversible si el marcado Mo es alcanzable desde algún marcado M E R(MO). Como se mencionó para el ejemplo 9.1, la reversibilidad se puede asociar con una red infinita.
9.6.5.
Cobertura Un marcado M' cubre a un marcado M si M/(p) ~ M(p), para cualquier lugar p.
Para una RdP dada, se comprueba la propiedad de cobertura cuando se encuentra un marcado M' E R(MO) tal que M' ~ M (el signo ~ significa que M' cubre a M).
9.6.6.
Persistencia
Considerar dos transiciones disparables. La persistencia consiste en que si una de las transiciones se dispara, la otra transición sigue siendo disparable.
9.7.
Métodos de análisis
En la literatura de las RdP, se presentan dos métodos fundamentales de análisis: uno es basado en el árbol de alcanzabilidad y de cobertura, que se deduce de la propiedad de alcanzabilidad; el otro es analítico basado en la representación matricial de la red. I
9.7.1.
Arbol de cobertura
El método consiste en la enumeración de todos los posibles marcados alcanzables desde el marcado inicial MO. En el árbol de alcanzabilidad cada nodo es etiquetado con un marcado y los arcos son etiquetados con transiciones. El nodo raíz del árbol lleva el marcado MO. El conjunto de alcanzabilidad llega a desbordarse por dos razones: la existencia de marcados repetidos o porque la red es ilimitada. Para evitar que el árbol crezca infinL tamente debido a marcados repetidos, se indicará mediante alguna marca esa repeti_ ción. Si alguno de los marcados crece infinitamente sin repetirse, se introduce el sím_ bolo (¡) que indicará el crecimiento infinito. Entonces: nEZ+¡
(¡)
±n=
(¡)
y n«
ú)
(9.14)
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
425
El siguiente es un algoritmo expresado literalmente que es utilizado en la literatura de las RdP. Describe el procedimiento con el que se determinan los marcados, partiendo del marcado inicial y produce el disparo de las diferentes transiciones que cumplen con las reglas de disparo, antes descritas. Se establecen las expresiones para las distintas situaciones que se pueden presentar (ro, dead/ock, o/el) que serán utilizadas en adelante.
Algoritmo 9.1 Paso 1. Colocar como raíz del árbol la marca MO Paso 2. Determinar la transición que sea disparable y efectuar el disparo. Colocar el nuevo marcado obtenido al disparar esa transición. 2.1. Si el nuevo marcado no existe, anotarlo. Indicar la transición origen. Volver al paso 2. 2.2. Si el marcado ya existe, colocar Volver al paso 2.
'o/d'
(este es un marcado que se repetirá)
Si no hay ninguna transición disparable, escribir: 'dead/ocK (La red está bloqueada) 2.3 Mientras exista transición disparable, entonces: 2.3.1. Obtener el marcado M' que resulta del disparo de t en M 2.3.2. En la ruta desde la raíz a M, si existe un marcado M" tal que M'(p) ~ M"(p), para cada lugar p y M' *- M", es decir, M" está Cubierto por M', entonces reemplazar a M'(p) por ro.
.r. -~ A partir del árbol de cobertura se deducen varias de las propiedades de las RdP así: 1. No aparece m, la red está limitada y por tanto R(MO) es finito. Para esta situación se habla del árbol de alcanzabilidad Cuando aparece m se refiere al árbol de cobertura. 2. Si en cada uno de los marcados sólo aparece Os y ls, se dice que la red es l_segura. 3. Al observar las transiciones disparadas en el árbol, si alguna no aparece es que está muertá (dead). Es situación es diferente al bloqueo. 4. Si la suma de las marcas en cada nodo del árbol de alcanzabilidad es igual, quiere decir que la red es conservativa. 5. Si en alguno de los nadas del árbol etiquetados entonces la red es reversible.
como old el marcado es igual a Mo,
6. Si alguno de los nadas se etiqueta deadlock pero por otras ramas del árbol existen otras transiciones disparables, marcados old, incluso, marcados infinitos (m), esta red presenta bloqueos parciales. . 7. Si la red no presenta bloqueos, entonces es viva (free dead/ock)
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
426
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petrj y Cartas de Estado
El análisis del árbol de cobertura o alcanzabilidad sóio es práctico para redes infinitas, es decir, para redes que tienen arcos que realimentan desde el final del proceso al inicio. Para redes finitas, como en los procesos de manufactura que se va a fabricar un número determinado de productos, este análisis no aplica. Todos los ejemplos y Procesos_prueba propuestos en el capítulo, corresponden a RdP ordinarias, infinitas y puras.
Ejemplo 2.4 La figura 9.7 muestra la RdP asignada como Proceso_prueba6.
T9
Figura9.7.
RdP del Procesoyrveba6para
Es semejante a la red analizada anteriormente
determinar
el árbol de cobertura
en la figura 9.2.
La red contiene 11 lugares y 9 transiciones. Dos secuencias formadas por los lugares: Pl, p3J p5J p7J p9 Y p2J p4J p6J p8J plO. Las dos secuencias operan paralelamente; un lugar compartido PllJ la transición t9 común en las dos secuencias. Es red infinitaJ pura y ordinaria. El marcado inicial es: MO = (1 1 O O O O O O O O 1)
427
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Los resultados aplicando el algoritmo 9.1 se muestran en la Tabla 9.1. Fueron obtenidos con el programa hum_RdP.m desarrollado por el autor en Matlab (Se han editado para la presentación). Esta representación de los resultados no corresponde con la forma común dada en la teoría consultada (nodos y transiciones presentados en forma de ramas de árbol), esto por facilidad de presentación y por la extensión de la red. Tabla 9.1 Transiciones
Orden 1'1arca
Transición disparada
o
Raíz
1
~I) _ 1
disparables Tl
1
MI'"
o
1
n
1'.2-=
o
1
HS=
o
1
T7
4
T7
n ..•-
o
1
1'2
5
T2
2
3
us==
o
o
T4
K5=-
o
o
T'
7
K7=
o
o
T6
M8=
o
o
8
Te
9
T9
10
1'2
11 12
T6
1
o
o
o
o
o
o
o
o
J.
H9'" 1
o
o
1
o
o
o
o
o
o
o
T4
810" 1
o
o
o
o
1
o
o
o
o
o
T6
IU1= 1
o
o
o
o
o
o
1
o
o
1
Te T1
13
Te
812= 1
o
o
o
o
o
o
o
o
1
1
T1
MI)"' o
o
1
o
o
o
o
o
o
1
o
T3
15
T3
81'1"'
o
o
o
o
1
o
o
o
o
1
o
TS
16
T5
MIS=
o
o
o
o
o
o
1
o
o
1
1
17
T7
o
o
o
o
1
o
o
o
T1
19
Te
20
T3
22
T6
23
T5
24
T7
25
T6
T1
.-------.--L~_l!: º_!~ f
'111=-1
18
T2
1'2
HO""1
14
12
T2
T5
6
o
La interpretación
Harcas obtenidas
I
:lH6=
o
In"?- o
o
o
T1
T5
l{la- o
----.~~_~1 M1S:
de los resultados de la tabla es:
La primera columna, orden_marca es un número consecutivo que indica la obtención de una marca nueva. Segunda columna, Transición disparada, corresponde a la transición que manualmente se introdujo en el programa para observar su marcado (sólo una cada vez). Tercera columna¡ disparada.
Marcas obtenidas,
son los marcados obtenidos
luego de introducir
la transición
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
428
TEORÍA Y LABORATORIO
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Cuarta columna, Transiciones disparab/es, se indica cuáles transiciones pueden ser disparables porque satisfacen las reglas establecidas para el disparo. En la primera línea, Marca_O, se tiene la raíz det.árbol: 9.7, dos transiciones pueden ser disparadas: Ti y T2.
MO. Como se observa en la red de la Figura
En la segunda, línea Marca_l, se dispara Ti, así que se obtiene el marcado indicado como partir de este marcado es posible disparar únicamente la transición T3.
Mi, y a
El proceso continúa como se observa en la tabla. En lá línea, Marca_S, se obtiene el marcado M8 y la transición programa indica que al disparar T9, el marcado MO se repite, programa dispara T9 e indica en la marca obtenida: MO: o/d.
disparable es T9, sin embargo el por esto en la línea Marca_9, el
El resto de la tabla es semejante en cuanto a la explicación. De los análisis de los distintos marcados, se deduce: .,/ La red es limitada . .,/ La red es Csegura . .,/ La red es reversible . .,/ La red es viva.
Fin ejemplo 9.4
Ejemplo 9.5 Una RdP presenta el siguiente marcado inicial y la matriz de incidencia:
I
-1 o1
: 1I0 ~
-1 1 -1o o1 [oo1 oJ1
o
o
Se trata de una RdP ordinaria y se supone que es infinita y pura. Al aplicar el programa hum_RdP.m de mat/ab se obtienen los resultados de la tabla 9.2. Se observa que en Marca_3 se presenta bloqueo, sin embargo, significa que el bloqueo es parcial.
los marcado MO y M2 se repiten,
De los resultados de la tabla se deduce: -/" La red es limitada. -/" La red es l_segura. -/" La red es reversible. -/" La red presenta bloqueo parcial.
Desde el punto de vista práctico, se deben evitar los bloqueos, así sean parciales.
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H T5 In= ~::.'" T2 Tl Raíz ~2= ~: Transición disparada
Harca Orden
45 321 O
76
no= liod:
t
429
Tabla 9.2
~1arcas obtenidas
O
Transiciones d ispa ra bles TlT2
T2 T3
T2
Fin ejemplo 9.5
9.7.2.
Análisis Matricial
Es un método que se basa en la matemática de las RdP, puesto que su concepción es ser una metodología de modelamiento matemático-gráfico. Se parte de la matriz de incidencia, ya estudiada en sesiones anteriores, y definen algunas ecuaciones de estado. De hecho, las dos tablas anteriores, que se obtuvieron desde Mat/ab, fueron deducidas aplicando el método matemático basado en la matriz de incidencia y las ecuaciones de estado.
~
A continuación se presenta una exposición rápida de la deducción de algunas de las propiedades de las RdP, deducidas del análisis matricial.
9.7.2.1. Construcción de los marcados Teóricamente, la evolución de la RdP se da cuando se cumplen las reglas dadas en la sección 9.4. Cada vez que se dispara una transición y el sistema evolucio_ na, se genera un nuevo marcado que debe satisfacer las ecuaciones (9.8 a 9.10). Para determinar los marcados resultantes de los diferentes disparos de transiciones, se presenta el siguiente formalismo que permite determinar un marcado a partir de otro marcado dado anteriormente. (9.15)
~
430
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Donde: Mk es el vedar del marcado que se desea obtener, Mk-1 es el vector del marca_ do inicial, 1 la matriz de incidencia y u un vedar de control con todos sus elementos cero menos uno. Para alcanzar el marcado
Mk,
se debe disparar la secuencia finita de transiciones:
= {tl, t2, ...,}
(9.16)
Al operar la ecuación 9.15, variando el vedar de control, resultan tres situaciones: 1.
Mk tiene valores negativos, lo que significa que un lugar llega a tener marcas negativas, situación
inconsistente. 2.
Mk coincide con un marcado repetido
3.
Mk es consistente,
no resultando las dos situaciones anteriores.
Para la primera situación, la red presenta bloqueos (dead/ock). La segunda situación indica que la red es cerrada (tiene lazos que realimentan). Para la tercera situación existen transiciones que producen nuevos marcados. Situaciones segunda y tercera pueden darse simultáneamente, mientras la primera es una situación única ya que no hay transiciones que sean disparables.
9.7.2.2. Propiedad de Conservatividad En una RdP la existencia de P_ínvaríant y ~ínvaríant tural, es decir que no depende del marcado inicial MO.
es una propiedad estruc_
Inicialmente se analiza la propiedad P_ínvaríant, con la que es posible verificar la pro_ piedad de conservatividad de la RdP. Considerar un vedar columna de control
Uk
dado como: (9.17)
Donde al menos uno de los elementos
y
la matriz incidencia transpuesta
IT;
1Tuk=
Uki *-
o,
se define P_ínvaríantde o
la RdP como: (9.18)
Es un sistema homogéneo con ecuaciones definidas por el álgebra lineal como: allPil
+ a12Pi2 +
+
alnPin
= o
a21Pil
+ a22Pi2 +
+
a2nPin
=o (9.19)
AmlPil
+ am2Pi2 +... +
amnPin
=o
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431
El Teorema de Frobenius define: para sistemas homogéneos, es decir aquellos cuyos términos independientes son cero, la matriz rTUk y la matriz aumentada (rTUk*) son iguales, se cumple que el rango de cada matriz: Rango(ruk)
= Rango(ruk*)
(9.20)
Entonces se presentan dos situaciones posibles: • Si Rango(Iuk) = n (número de incógnitas), el sistema es compatible solución conocida como solución trivial (todas las incógnitas son cero) . • Si Rango(Iuk) < n el sistema es compatible indeterminado
determinado
y tiene única
(infinitas soluciones).
Considerando la ecuación (9.15) que corresponde a la alcanzabilidad de la red: Mk
=
Mo + rUk
Donde Mk es un marcado cualquiera obtenido luego de la secuencia de disparos dada por la ecuación (9.16):
Trasponiendo términos:
{tl, t2,...,}
=
rT
= MkT- MOT
Multiplicando la ecuación por el vector de control Uk: rTUk = (MkT - MOT)Uk
Como: rTUk= o de (9.18):
rTUk= (MkT- MOT)Uk= O
o:
(9.21)
Expresando la ecuación (9.21) matricialmente se tiene:
(9.22)
Significa que en la RdP la suma de las marcas en un marcado_k es igual a la suma de las marcas del marcado_inicial. y la suma de las marcas es constante para cualquier mar_ cado: Mk E R(Mo). Se debe asegurar que la solución de los P_invariant no sea trivial, así la dependencia o independencia de la matriz: rTUk' La dependencia de la matriz rTUk (mirando cada columna como un vedar columna) depende la matriz (el espacio nulo de una matriz A es el conjunto de todas las soluciones
que se determina de cada columna del espacio nulo de de Ax=O).
o",
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
432
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado ',+
9.7.2.3. Propiedad de Reversibilidad La propiedad de reversibilidad de la RdP consiste en mostrar que luego de
Se debe satisfacer la condición dada en el Teorema de Frobenius: Rango(Iuk) < n,
el sistema es compatible indeterminado (infinitas SOluciones)
9.7.2.4. Propiedades de Seguridad y Limitación La seguridad y limitación de una RdP depende de la cantidad de tokens que posee un lugar en cualquier marcado. Si los tokens en cada lugar no superan la unidad se dice que la red es segura y limitada. Si el número no supera 2, se trata de una red 2_segura y limitada. Para mayor número de marcas se considera: • Si la diferencia de tokens entre el marcado Mk y el marcado MO no supera 4, se considera red no segura y limitada . • Si la diferencia de marcas entre el marcado Mk y el marcado MO supera 4, se considera red no segura e ilimitada y al lugar que presente este desborde en el número de tokens se le marca con la letra «w». Esta letra se encuentra en algunos documentos consultados sobre el tema.
9.7.2.5. Propiedad de Alcanzabilidad El análisis de la alcanzabilidad de las RdP en la mayor parte de la literatura consultada generalmente se realiza en una forma mecánica, utilizando el algoritmo 9.l. Recordando la ecuación general de alcanzabilidad (9.15): Mk
Donde
=
Mo
+ IUk
es el vector de marcado- al que se quiere llegar. Es un vector columna de p_líneas, donde p es el número de lugares de la red; MO es el vedor de marcado inL cial, también vedor columna de p_líneas. Uk
Mk
es un vedor de control de Uineas,
donde t es el número de transiciones de la red.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
433
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
1 es
la matriz incidencia de p_líneas y t_columnas.
En los análisis anteriores (P_ínvaríant, T-ínvaríant, reversibilidad) se planteó un sistema homogéneo. Para el análisis de alcanzabilidad, se trata de un sistema no homogéneo, donde: (9.24) Y:
(9.25)
Que es semejante a un sistema algebraico de la forma: Ax = b
(9.26)
Donde 1 => A, contiene los coeficientes del sistema; Mdif => b se conoce como el vector del lado derecho y Uk => x es el vector desconocido. Entonces, Mk ya se conoce. El objetivo es determinar el vectoruk que permite obtener
Mk
a partir de MO.
El sistema de ecuaciones lineales puede tener tres posibilidades: • No tiene soluciones • Hay única solución • Hay infinitas soluciones.
Para encontrar la solución del sistema lineal puede iniciarse convirtiéndolo en la ma_ triz aumentada (matriz aumentada: [1, Mdif]) Y transformarla en la forma escalonada, utilizando el método por eliminación Gaussiana. Luego se ubica en cada columna de la matriz reducida, el pivote (si la columna no contie_ ne pivote se llama columna libre y las variables de esa columna se llaman variables libres).
Obtenida la reducción y el pivote de cada columna, se puede calcular el determinante y, de su valor, deducir si es singularo no singular. Si la matriz es singular (det(M) =0) el sistema bajo análisis puede tener infinitas solu_ ciones, o no tener solución. Si la matriz es no singular (det(M}"oO) tendrá única solución. Este método tiene una restricción: la matriz bajo análisis debe ser cuadrada, pero la matriz aumentada para la RdP [1, Mdif] no siempre es cuadrada. En Mat/ab se puede resolver el sistema utilizando la eliminación Gaussiana y luego llevar a formar los pivotes de las columnas a la unidad, para matrices (mxn), utilizan_ rref(M). do el comando: Entonces para el problema en cuestión se determina: rref(I,dif)
En donde:
(9.27) (9.28)
S
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
_Ejemplo
434
9.6
La Figura 9.8 presenta tres sistemas de ecuaciones lineales resueltos con el comando rref(M).
»
1
[)
= oo 1-1 oo o1(t1) rref 0'1) rre! (D -3 oo1
o
o ,1-
» (B)
':'::.TIS
» rre! (¡i) ans=
1
o
o
1
-1 1
2 1
Co---=~~=~ o ~:==~_o) (C)
Figura
9.8
Sistemas lineales resueltos con el comando rref(M) de mat/ab
Las tres matrices de la figura, son aumentadas y ya están pivotadas. La matriz de la figura 9.8(A) tiene en el índice (3,4) el elemento 1, así que el sistema da inconsistencia; entonces el sistema no tiene solución. La matriz de la figura (B) tiene pilotaje en tres columnas, por tanto tiene solución única. Para la matriz de la Figura 9.8(C) la fila 3 la forman O' s, así que tiene infinitas soluciones.
Fin ejemplo 9.6
Parte 2 9.8.
Cartas de estado (Statechart)
Un sistema reactivo es caracterizado por el manejo de eventos dirigidos (event-driven), es decir, que responden dinámicamente a los eventos que reciben y cuyo comportamiento lo determina el orden de llegada de ellos. Entonces deben reaccionar a estímulos externos e internos resultantes de los eventos de entrada y salida, condiciones, acciones y restricciones en el tiempo. Ejemplos de estos siste_ mas: telefonía, redes de comunicaciones, transporte, sistemas aeronáuticos, interfa_ ses humano-máquina. Las máquinas de estado finito se han utilizado para modelar sistemas reactivos, pero la complejidad de algunos sistemas las limita en su manejo gráfico. En 1980 David Hare/ propuso una extensión al formalismo de las FMS y que denominó carta de estado o 5tateehart. Su objetivo era describir sistemas reactivos muy comple_ jos y que resultaban difíciles o imposibles de modelar con las FMS. Las cartas de estado introducen tres elementos importantes: jerarquía/ ortogona/idad y comunicación. La jerarquía permite definir sistemas y subsistemas, así que los permite
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
435
analizar con diferentes niveles. Términos como supe~estados, sub_estados, padres, hijos, hermanos, resultan comunes en los distintos niveles de jerarquía. La ortogonalidad y el paralelismo, permiten desarrollar tareas independientes y, con la comunicación, es posible que varias tareas reaccionen ante un evento, o se comu_ niquen entre sí tareas paralelas. Stateflow de Mat/ab (versión 7.0 o posterior) es una herramienta que permite modelar y simular cartas de estado y aprovechar el simu/ink para integrar los sistemas reactivos con sistemas continuos. De hecho en la literatura se refiere a Statef/ow como una herramienta que modela máquinas de estado finito. El lenguaje de Statef/ow suministra jerarquía a las máquinas de estado, en forma simL lar que las cartas de estado, aunque su manejo resulta más complejo por las caracte_ rísticas de los componentes que presenta como transiciones entre niveles, transicio_ nes históricas, llamados de eventos, operaciones de descomposición y otra serie de elementos y semántica, que posteriormente se mencionarán. es una potente herramienta gráfica de diseño y desarrollo adecuada para resolver problemas de supervisión y control en problemas Statef/ow
(sigla utilizada en adelante:
51)
DEDS.
Usando Statef/ow se puede: • Visualizar modelos y simular sistemas reactivos complejos basados en la teoría de las máquinas de estado finito (FSM: Anite 5tate Machine) • Diseñar y desarrollar sistemas de control de supervisión deterministas . • Modificar su diseño fácilmente, alguna etapa del diseño.
evaluar los resultados y verificar el comportamiento
del sistema en
• Generar automática mente códigos enteros o de punto flotante desde el diseño . • Aprovechar el entorno de mat/ab y simu/ink para analizar y simular los sistemas.
9.9.
Máquinas de Estado Finito y Stateflow
Las máquinas de estado finito son usadas para modelar DEDS. Una máquL na de estado finito es un modelo que describe el comportamiento de un número finito de estados, las transiciones entre esos estados y las acciones. Un estado representa· un modo de operación de una máquina. Por ejemplo la llave de una estufa eléctrica tiene cuatro estados: apagado (otl), bajo (low), medio (medium) y alto (high). Una acción describe la actividad que va a ser desarrollada. Las acciones son clasifica_ das en tres tipos: Las acciones de entrada (Entry Action), acciones de salida (Exit Actions) y las acciones realizadas durante la transición (During Actions).
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
436
La máquina de estado puede ser representada por un diagrama de estado o por una tabla transición-estado. La figura 9.9 muestra el diagrama de estado para el control de calentamiento de la estufa eléctrica.
Figura 9.9 Diagrama de estado del control de calentamiento
Formalmente se define como:
A=(L, Q, qo,
a, F)
de una estufa eléctrica
(9.29)
Donde: .E:
es el conjunto finito de eventos
Q: es un conjunto finito de estados
qoEQ: es el estado inicial (Starf)
o. es el estado de una función parcial de la transición dada por: a: Q x
L~ Q
(9.30)
El producto cartesiano significa que un par de elementos desde Q y L es mapeado en un elemento del conjunto Q/ y el término función parcial significa que la función t5 puede no ser definida para todos los pares que puedan ser creados del conjunto Q x J:. F: es un conjunto de estados finales dados por el subconjunto de: Q: F <;;;; Q
Donde
F
(9.31)
puede ser un conjunto vacío.
Sf usa una variante de la notación de las máquinas de estado, así que Stateflowes una representación gráfica de las SFM donde los estados y transiciones forman los ele_ mentos básicos en la construcción de los sistemas. También Sf permite la representa_ ción de Paralelismo (Parallelism), jerarquía (Hierarchy) y memoria (History).
9.10. Elementos del Stateflow Toda la información consignada en esta y las siguientes secciones son tomadas de: Stateflow User's Guide. Sateflow for Use with Simulink. The Math Works, Inc. USA. . 2000. http:j jwww.mathworks.comjaccessjhelpdeskjhelpjtoolboxjstateflowjtopbanner.html
En la figura 9.10 se ilustran los componentes gráficos que componen una carta Sf.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y Ul.BORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
figura9.10
437
Elementos que componen una carta 5tateflow
La descripción de los elementos que aparecen en la figura 9.10 es: ./ Estados (State) Describe un modo de un sistema de eventos dirigidos (Event-Driven estado depende de los eventos y condiciones que lo gobiernan.
System).
La actividad
de un
Los estados forman parentescos cuando van acompañados de otros estados; en la figura, stateA es el estado de mayor jerarquía, así que es el padre. StateAl y StateA2 siguen en jerarquía y son hermanos, porque tiene igual nivel de jerarquía. A su vez, estos dos estados son padres de los estados internos StateAla, StateAlb y StateAlc y de los estados internos StateA2a y StateA2b, respectivamente. Los estados más internos son los de menor jerarquía. Estos sub_estados son hermanos entre sí (los que están dentro del mismo padre). Sf dispone de dos tipos de estados: paralelo AND y exclusivo OR. En la figura los estados hijos StateA2a y StateA28 tienen descomposición AND, mientras que todos los demás estados tienen descomposición OR exclusivo (OR-ex). Se identifica la descomposición gráficamente por el recuadro del estado: con línea a trazos, la descomposición es AND y con trazo continuo, la descomposición es ORex. En cuanto al funcionamiento de las dos descomposiciones, en AND, los estados pueden estar activados simultáneamente, mientras que en OR-ex, sólo uno de los estados puede estar activo. Los estados llevan etiquetas. Es obligatorio colocar una etiqueta con el nombre del estado. Y puede o no llevar otras etiquetas que indican acciones, tales como: entry, during, exit, on evenLname .
./ Transición (Transition) Es el elemento gráfico que enlaza los diferentes objetos. El punto de partida de la transición fuente (Source) y el punto de llegada, punta de la flecha, es el destino (Destínatíon).
es la
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABOR.I\TORIO
438
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redesde Petri y Cartas de Estado Los tipos de transiciones son: • Transición a y desde un estado OR-ex • Transición a y desde uniones • Transiciones a y desde super_estados OR-ex • Transiciones de estados internos (inner transitíon) • Transiciones autoalimentadas
-/ Transición por defecto (Default Transition) Especifica cuál estado OR-ex es activo¡ para evitar ambigüedad con dos o más estados OR-ex en el mismo nivel de jerarquía. En la Figura 9.10 lleva transición por defecto el supe~estado StateA (aunque no hay más estados con igual jerarquía); también lleva transición por defecto el supe~estado StateAl dando prioridad sobre el estado hermano StateA2. También StateAla lleva transición por defecto dando prioridad con los otros estados hermanos StateAlb y StateAlc. La transición por defecto tiene destino pero no tiene fuente.
-/ Unión histórica (History Juntion) Elemento que permite especificar el destino de una transición basada en la información histórica. Si un super_estado con descomposición OR-ex tiene una unión histórica¡ cuando una transición habilite este supe~estado¡ el sub_estado que anteriormente fue activo la última vez¡ quedó registrado y es este sub_estado que ahora queda activo. En el diagrama de la Figura 9.10¡ el supe~estado StateAl tiene una unión histórica (círculo con la letra H en su interior). Su funcionamiento se explica con la siguiente semántica: • • • • • • • • • • •
Situación inicial¡ supe~estado StateAl activo El sub_estado StateAlc activo Sucede el evento TransitionAl_A2. Este evento es válido Desactiva super_estado StateAl Activa el supe~estado StateA2 Entra en estado dormido el Sf. Se anuncia la transición TransitionA2_Al TransitionA2_Al es válida El super_estado StateA2 se desactiva Activa el supe~estado State_Al. Se activa el sub_estado StateAlc, debido al histórico.
Si no existiera el histórico¡ el sub_estado que se activa es StateAla
por tener transición por defecto.
-/ Uniones conectivas ( Connective Junctions) Son puntos de decisión en el sistema. Es un objeto gráfico que simplifica los diagramas Sf y facilita la generación de código eficiente. En la Figura 9.10 se tiene una unión conectiva que enlaza los tres sub_estados del supe~estado StateAl.
-/ Etiquetas en las transiciones Las transiciones pueden llevar etiquetas que describen las características del movimiento de un estado al otro. Cuando la transición no lleva etiquetar significa que el estado destino se activa estando previa_ mente activo el estado fuente. Con la etiqueta puede contener alguno o los siguientes elementos: Nombre_evento[condición]{Acción
de la condición}/Acción
de la transición
AUTOMATIZACIÓN
9.
INDUSTRIAL:
439
TEORÍA Y lABORATORIO
Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
v"
Eventos (Event)
Permiten la ejecución del diagrama Sf. Los eventos son elementos no gráficos y su ocurrencia causa que el sistema sea evaluado. Al presentarse un evento se produce su anuncio (Broadcast) en el sistema y, como consecuencia, puede disparar una transición o disparar una acción; su anuncio se ejecuta de una manera jerárquica iniciando en 105 niveles de mayor jerarquía hasta llegar a 105 de menor jerar_ quía (top-down). En la Figura 9.10, un evento se tiene en la transición que enlaza al estado StateA1 como fuente con StateA2 el destino, el evento es: transitionA1_A2. Los eventos pueden ser: • Locales al Sf • Una entrada al Sf desde un modelo de simulink • Una salida desde el Sf hacia el modelo de simulink • Un código que es importado o exportado desde una fuente externa al Sf y simulink
v"
Condición ( Conditions)
Es una expresión Booleana que puede tomar el valor de verdad o falso. Cuando la expresión es verda_ dera, la transición que la contiene queda validada. Se escribe entre paréntesis rectangulares, como se indica en la Figura 9.10 con dos de las transiciones que contienen condición: [ConditionFj.
v"
Acciones (Actions)
Las acciones toman lugar como parte de la ejecución de los Sf. Se especifican como parte de una transición (como se indica en la figura 9.10), o forman parte de los estados (no indicado en la figura). Cuando forman parte de la transición pueden darse dos tipos de acciones: Acción de la condición y acción de la transición. En la primera, una vez la condición especificada en la transición es verdadera, inmediatamente se ejecuta la acción de esa condición. En la segunda, cuando la transición es validada y se produce la evolución de un estado (fuente) a otro (destino), se ejecuta la acción de la transición. En la figura 9.10, las transiciones que salen de los sub_estados StateA1a y StateAlb conectiva, presentan la siguiente sintaxis: [conditionFj
y [conditionFj{funlO}jfunc2()
hacia la unión
(9.32)
Entonces, cuando la condición es verdadera, las dos transiciones son validadas, pero además, la tran_ sición que sale del sub_estado StateA1b, ejecuta la acción de la condición fun10 y cuando hay evolu_ ción entre los estados, se ejecuta la acción de la transición fun2(). Como se observa, en la sintaxis de las dos acciones se distingue porque la acción de la condición está encerrada entre corchetes 'ü', mientras que la acción de la transición está separada por '/'. Las acciones también se especifican para los estados (no se indica en la figura 9.10). Las acciones son: • • • •
Acción a la entrada (Entry Action) se ejecuta una vez el estado queda activo. Acción a la salida (Exit Action) se ejecuta antes de que el estado sea desactivado. Acción durante (During Action) se hace efectiva mientras el estado esté activo Acciones On-Event se ejecutan cuando el estado está activo y una o más de los eventos de algún tipo especificado ocurren. La sintaxis de esta acción, por ejemplo: on event1: exitf...)
(9.33)
"
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
440
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos; Redes de Petri y Cartas de Estado
Se inicia con on luego el nombre del evento al cual responde: event1. Cuando ese evento ocurre, la acción es exit().
-/ Datos (Data) Son usados para almacenar valores numéricos para referencia en los diagramas de Sf. Son objetos no gráficos así que no tiene representación directa sobre el diagrama. Pueden ser: • Locales al Sf • Suministrados desde el modelo simu/inkal Sf como entrada • Entregados por el Sf como salida hacia el modelo de simu/ink • Datos temporales no persistentes • Definidos en Mat/ab desde el espacio de trabajo (Workspace) • Generados mediante código que es importado o exportado desde una fuente externa al Sf y simu/ink.
9.11. Semántica La semántica describe cómo la notación es interpretada e implementada y en qué secuencia las acciones toman lugar durante la ejecución de un diagrama Sf. La semántica fija las reglas para: • Anuncio de los eventos • Procesamiento de los estados • Procesamiento de las transiciones • Rutas que siguen las transiciones habilitadas
Un diagrama Sf sólo se ejecuta cuando un evento ocurre. Se da el evento y el Sf des_ el procesamiento ocurre de acuerdo a la jerarquía del diagrama, pierta (Awakened); pero siempre desde la raíz del Sf, es decir, desde el nivel jerárquico más alto, hacia abajo (top-down). En cada nivel de la jerarquía se van ejecutando las distintas accion_ es programadas dentro de los estados por los que pasa. Se menciona a continuación el procesamiento de algunas secuencias, describiendo la semántica correspondiente.
9.11.1. Semántica de estados activos-inactivos Análisis de la figura 9.11. Se tienen dos estado OR-ex, estado A y estado B. Cada uno de ellos tiene definidas acciones internas. Una transición los enlaza. El estado A posee transición por defecto. Situación: Inicialmente el sistema está dormido y ambos estados están inactivos. Un evento ocurre y el Sf despierta. La semántica de lo que sucede a continuación:
AUTO MATIZACIÓN
9.
INDUSTRIAL:
TEORÍA
441
Y LABORATORIO
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1. La raíz del Sf verifica si hay transición válida como resultado del evento. Una transición por defecto es detectada en el estado A 2. Estado A se marca como activo 3. Se ejecuta la acción de entrada del estado A: entry:entA().
Completa la acción
4. El Sf retorna a su estado dormido en espera de otro evento
entry:
-0nt..:.,()
dUflng: drXA{; ex¡t: exiUq)
\.
(SI ','::=-"1'&
¡ er.try: entBO --.-.-#q"'¡"-- ..l. dut'jn9~
"
'-1
t
Figura 9.11
<=)';1:
dur8()
(;>:1180
'
Dos estados OR-ex
Situación: Sf está dormido, estado A activo. Anuncia el evento E_one, el Sf despierta. La semántica como respuesta a este evento es: 1. La raíz del Sf verifica si una transición es válida como consecuencia del evento E_one. Una trarisL ción desde el estado A al estado B es detectada 2. El estado A ejecuta la acción: exit:exitA() 3. El estado A se marca inactivo
¡'.
4. El estado B se marca activo 5. Se ejecuta en el estado B la acción: entry:entEJ:..). Se completa la acción 6. El Sf regresa al estado dormido en espera de un nuevo evento
Situación: El Sf está dormido y estado B activo. Suponer que se anuncia un evento E_two, el Sf se despierta. La semántica es la siguiente: 1. La raíz del Sf verifica si una transición es válida como consecuencia del evento E_two. No hay tran_ sición válida 2. El estado B ejecuta la acción: duríng:durBJ.
Se completa la acción
3. El Sf regresa al estado dormido en espera de un nuevo evento.
9.11.2.
Semántica de transición con acciones
La figura 9.12 muestra la situación a analizar: la transición que enlaza esta_ dos On-Off tiene la acción de transición E_one.
1~
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
442
0111
6nlry: 6ntOn() during: durC'!l() ¿,xít: ¿,:dC'l10
figura
9.12
Transición con acciones
Situación: Suponer que el estado On está activo inicialmente, el evento E_one se anuncia y despierta al Sf. La semántica es:
Sf
está dormido. El
1. La raíz del Sf chequea si hay transición válida como consecuencia del evento E_one. Se detecta una transición desde el estado On al estado Off 2. Se ejecuta la acción exít: exítOnO en el estado On. Se completa la acción 3. Estado On se marca inactivo 4. El evento E_one se anuncia como acción de la transición. Entonces se evalúa la otra transición cuyo evento es E_one, pero ninguno de los estados está activo, así que este evento no tiene efecto 5. Estado Off se marca activo 6. Ejecuta la acción entry: entOffO 7. El Sf regresa al estado dormido en espera de otro evento.
Situación: El estado del Sf actual-es: Sf dormido, estado Off activo. Ocurre el evento E_one y despierta al Sf, entonces:
1. El Sf chequea desde la raíz si hay transición válida como resultado del evento Cone. desde el estado Offal estado On es detectada 2. El estado Offejecuta
Una transición
la acción exít: exítOffO, completa acción
3. El estado Offes marcado inactivo 4. El estado On se marca activo 5. Estado On ejecuta la acción entry: entOn(). Completa acción
6. El Sf regresa al estado dormido en espera de otro evento. Situación: Situación actual del Sf: el diagrama dormido, estado On activo. Se anuncia el evento Ctwo, el Sf despierta y: 1. El Sf revisa la raíz del diagrama para verificar si existe transición válida. No encuentra 2. Estado On ejecuta la acción duríng: durOn(). Completa acción 3. Sf regresa al estado dormido en espera de un nuevo evento.
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y LABORATORIO
443
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
9.11.3. Transición entre sub_estados Se refiere al diagrama de la figura 9.13. Contiene los supec-estados A y B. El primero tiene los sub_estados hermanos Al y A2, el segundo tiene los sub_estados hermanos Bl y B2. La transición tiene como origen el sub_estado Al y destino el sub_estado B1. La transi ción contiene como etiqueta un evento: E_one, una condición: [C_one] y una acción de la transición: lA. La semántica para la situación es: /
.....
,
dlinng, dUr/I··O I('::2---------')' f e»)!: ~~'. f.Y.6XIlAO "n\}\(j
i
~-----,-, ..-.
f
~.
1
dUl!l1g: dllri\1(i
1
exit. "xitA 1()
r:,~~Yen:A10.
l.
'-,
}
L, ~ ~---~--j
Figura 9.13
Situación: Inicialmente
Transición entre sub_estados
es Sf está dormido, se considera el estado A.Al (Nomenclatura activo. Se anuncia el evento E_one y despierta al Sf,
para indicar la secuencia de jerarquía)
entonces: 1. El Sf verifica si existe alguna transición válida como resultado del evento E_one. Existe una transL ción que va desde el estado A.Al hasta el estado B.B1 2. Se verifica la condición de la transición y se establece que es verdadera 3. Estado A ejecuta la acción duríng: durA(). Completa la acCión 4. Estado A.Al ejecuta la acción exít: exítAl().
Se completa la acción
5. El estado A.Al se marca inactivo 6. El estado A ejecuta y completa la acción exít: exítA() 7. El estado A se marca inactivo 8. La acción de la transición es ejecutada. Se completa su acción 9. El estado B se marca como activo 10. Estado B ejecuta y completa la acción entry:entB() 11.Estado B.Bl se marca activo 12.Estado B.Bl ejecuta y completa la acción entry:entBl() l3.EI Sf regresa a su estado dormido en espera de un nuevo evento.
••
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
444
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
9.11.4. Condiciones en uniones La figura 9.14 muestra tres estados en descomposición Or-ex y las transicio_ nes que van a una unión conectiva. Dos transiciones están sujetas a condiciones y una de las transiciones tiene el evento E_one y una acción de condición {A_one}. Se considera para la explicación que el estado A está activo y las condiciones C_one y C_two son falsas. La semántica es:
Al
j
enl.rr ~nIA()
l----~('r.e {P 3ne 1
( el
II
I ",,\n!: dunng entC(\ dur(:O
durinq: durAi) éX¡t: ¿:-:itAO
'
I
'------'..
..-----
'0,.
\~._,
,'-",
/,/~kl~:.:it
~---'
\ ./ /),-J~-'-tc~:~n~j
GXoC()
! BI ! entry: erct8¡¡ i¡ duting: durBO exít exitBO
!
Figura 9.14
Situación: Inicialmente E_one y despierta al Sf:
Condiciones en uniones
el Sf está dormido, estado A activo. Se anuncia el evento
1. La raíz del Sf verifica si existe transición que sea válida como efecto del evento E_one. Un segmen_ to de transición desde estado A a la unión conectiva es válida. La acción de la condición {A_one} es detectada en el segmento de transición válida y es ejecutada y completada. El estado A perma_ nece activo 2. Ya que las condiciones [C_one] y [C_two] son falsas, no hay posibilidad de evolución de los estados 3. Estado A permanece activo. Ejecuta la acción duríng: durAO. Completa la acción 4. El Sf regresa al estado dormido en espera de un nuevo evento.
Situación: Considerar que la condición [C_one] es verdadera y se da el evento E_one. La situación actual: estado A activo, Sf dormido; se anuncia el evento E_one, el Sf des_ pierta: 1. El Sf verifica la raíz en busca de transición válida como respuesta al evento E_one. El segmento de transición desde el estado A hasta la unión conectiva es válida, la acción de la condición {A_one} es detectada, ejecutada y completada 2. Se encuentra que la condición [C_one] es verdadera, desde el estado A al estado C son válidos 3. El estado A ejecuta y completa la acción exít:exítAO 4. El estado A se marca inactivo
los dos segmentos de transición
que van
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
5. El estado
e se marca
445
activo
6. El estado e ejecuta y completa la acción entry:entc() 7. El Sf retorna a su estado dormido en espera de otro evento.
9.11.5. Transición por defecto en OR-ex Para la explicación considerar el diagrama Sf de la figura 9.15. Contiene dos estados con descomposición OR-ex: A y B. El estado B es un supe~estado con dos sub_estados hermanos Bl y B2. La transición enlaza el estado A con el supe~estado.
,/
, 81
(
Al
entry: ent B" \J during: dur8() exit: exitBO
(\l
'\
Bi1 entry entB 1()
L¡-
entry entAO during durAO
I
~''',!=_one í A
exit exitAO
"
~_---"I
~
__
~
during: durBi()
·~,,_U __
Figura 9.15
r
Transición
82
'1
exit: exit8i
o
====J
por defecto y OR-ex
Situación: Inicialmente estado A es activo por poseer la transición por defecto y el sub_estado Bl también activo por la misma razón. El Sf está dormido. Se anuncia el evento E_one y despierta al Sf. La semántica de lo que ocurre es: 1. La raíz del Sf revisa si existen transiciones que hayan sido activadas por causa del evento. Hay una transición válida entre el estado A y el super_estado B 2. Estado A ejecuta y completa la acción exit:exitAO 3. Estado A es marcado como inactivo 4. La acción de la transición
lA es ejecutada y completada
5. Estado B es marcado activo 6. Estado B ejecuta y completa la acción entry:entBO 7. Estado B detecta una transición por defecto en el estado B.Bl 8. Estado B.B1 es marcado activo 9. Estado 6.B1 ejecuta y completa la acción entry:ent610 10.EI Sf vuelve a su estado dormido en espera de otro evento.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATO~O 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
446
9.11.6. Transición por defecto y unión histórica Figura 9.16 ilustra la situación. Se tiene un estado A y un supec-estado B. Este posee cuatro sub_estados y una unión histórica.
Al e-nt,y: ent.¿,O during: dwA(; e·x;l: exit A ()
(~.I
en",: enl80
during: dw.BO exit: exilBO
,,
,.
!
~ 81/ entrv: enl81
~
h
\. Figura 9.16
,.-----, 82/ ent,y ¿;ntB20 during: durB20 exit: exit820
'-- __
84,'
eniry: enl830 during: durB30 e>:it: e):itB3U
¡
duri;·,~r dur81 O i exil: exi;Si0 i
831
.
i O
I
I )
¡
en!.;v: entB40
I
durir,g: dur840 exil: exitB40
i '
J
Transición por defecto unión histórica
Situación inicial: Estado A activo por poseer transiciones por defecto. Considerar que anteriormente el último estado activo del supec-estado fue B.B4, así que este estado está almacenado en el histórico. Se anuncia el evento E_one, despierta el Sf. La semántica para esta situación es: 1. La raíz del Sf busca transiciones que sean válidas como resultado del evento E_one. Hay una transición válida desde el estado A al supec-estado B 2. Estado B ejecuta y completa la acción exít:exítA() 3. Estado A es marcado inactivo 4. Estado B es marcado activo 5. Estado B ejecuta y completa acción entry:entB() 6. Estado B detecta el histórico y consulta memoria. El histórico indica al estado B.B4 como último eso activo anteriormente, entonces este sub_estado es el destino de la transición 7. Estado B.B4 se marca activo 8. Estado B.B4 ejecuta y completa acción entry:entB4() 9. Sf regresa al estado dormido en espera de otro evento.
9.11.7. Transición por defecto con etiquetas Para la explicación observar la figura 9.17. Tiene el estado A y el supec-estado este contiene dos sub_estados hermanos, cada uno con transición por defecto etiquetadas. B;
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Y lABORATORIO
447
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Situación inicial: el estado A activo por la transición por defecto que tiene, el Sf dormL do. El evento E_one se anuncia y despierta al Sf. La semántica para esta situación es:
Al
¡,....--------------_ E_one
enlry: .nl'.O :
I E_t"lo
".
dwing: durA O:
exil:6xitAí; ¡
'\
/
.
(8/
_IJ
"
\
r f:inll ~':ent80
I I
dUling" durBO exit: exilBO
I
\E_One
I\
exil: exitB10
I
Figura 9.17
'------> ''--._----E;~ge~~~~.?o1
Transición
~.
~Uwo
~/(!I
por defecto con etiquetas
1. El Sf busca en su raíz por transiciones que sean válidas debido al evento E_one. Hay una transición que es válida, que enlaza el estado A con el estado B. La etiqueta de esta transición valida uno o dos eventos: E-one y E_two (E_one or E_two) 2. Estado A ejecuta y completa la acción exit:exitA() 3. Estado A es marcado inactivo 4. Estado B es marcado activo 5. Estado B ejecuta y completa la acción entry:entB() 6. Estado B detecta una transición por defecto que es válida para el estado B.B1 y satisface al evento E_one 7. Estado 6.61 se marca activo 8. Estado 6.61 ejecuta y completa acción entry:entBl() 9. Sf regresa al estado dormido en espera de un nuevo evento.
9.11.8. Transiciones internas (Inner Transition) Son diferentes a las transiciones por defecto y a las transiciones que enla_ zan etapas. Estas transiciones están al interior de las etapas y tienen como fuente y destino la etapa en donde están internas (Se pueden pegar al borde del estado, pero trazada a su interior). La figura 9.18 presenta dos estados A y 6. El estado A tiene una transición interna y el estado 6 tiene una transición contraria a la interna, puesto que ella tiene destino y fuente el mismo estado pero su conexión está al borde externo del estado. Situación: Considerar las siguientes condiciones: Estado A activo, condición [C_one] falsa y Sf dormido. Se anuncia el evento E_one, el Sf despierta. La semántica de lo que sucede es:
\"ti.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Figura 9.18
Funcionamiento
de las transiciones
448
internas
1. La raíz del Sf busca transición que sea validada por el evento E_one. Hay una transición que puede ser validada, sin embargo, la condición de la transición es falsa, así que no es válida 2. Estado A ejecuta y completa acción duríng:durB() 3. Estado B chequea en su interior por hijos que tengan transiciones válidas. Detecta una transición interna 4. El estado A permanece activo, se ejecuta y completa la acción de la transición /A_two 5. Sf retorna a su estado dormido en espera de otro evento.
Situación: Considerar ahora que un segundo evento E_one ocurre, la condición [C_one] es verdadera.
,
,
Situación inicial: estado A activo, Sf dormido. Se anuncia el evento E_one, despierta al Sf, la semántica es: 1. Sf busca en su raíz transición validada por el evento. Encuentra la transición estado B, con la condición [C_one] verdadera
entre estado A y
2. Estado A ejecuta y completa acción exít:exítA 3. Estado A es marcado inactivo 4. Acción de la transición / A_one es ejecutada y completada 5. Estado B es marcado activo 6. Estado B ejecuta y completa acción entry:entB() 7. Sf retorna al estado dormido en espera de otro evento.
Situación: En esta tercera situación, para la Figura 9.18, se da el evento E_two y la condición [C_two] es falsa. La situación inicial: Estado B activo, Sf dormido, se anuncia el evento E_two, despierta el Sf. La semántica ahora es: 1. La raíz del Sf busca por transiciones que sean validadas por el evento E_two. Hay una posible transición pero la condición [C_two] es falsa. No hay transición que sea validada. Estado analiza en su interior y encuentra una transición que autoalimenta (self-Ioop) por su exterior
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
449
2. Estado B ejecuta y completa acción exit:exitB 3. Estado B se marca inactivo 4. La acción de la transición autoalimentado
/ A_four se ejecuta y completa
5. Estado B se marca activo 6. Estado B ejecuta y completa acción entry:entB 7. Sf retorna al estado dormido en espera de otro evento.
9.11.9. Transición interna conectada a unión conectiva La situación se muestra en la figura 9.19. Considerar que el estado Al es activo, la condición [C_two] es verdadera y se anuncia el evento E_one. Estando dormL do el Sf, el anuncio del evento lo despierta, la semántica de lo que ocurre es: 1. La raíz del Sf busca transición que sea validada por el evento E_one. No encuentra
2. Estado A ejecuta y completa acción during:durA 3. Estado A chequea en su interior y detecta la transición interna válida que está conectada a una unión conectiva. Se evalúan las condiciones y se encuentra que [C_two] es verdadera, así se completa la transición que permite activar al estado A.A2
/\
/ Al entr¡:
1
during: durAO
i
exl!: exitA()
{;ntAO
'.'
~---('!,,_, ./'
I¡/ ./
,,!i
v
l 1,
I
~
\ E_one
I
~:r:ry: enlA 1() dunng:durA10 , ell1: e.l, xV 1(1
Figura 9.19
"1-'
le_on"],
_ -----...
\\(C_twoj
'\ ----.~.,.......•
,
¿ entn, enlA2(,) A21" exit: exitA20 dwing durA20
\
) '1
,
•(
( A31 )/----: !eniryentA3) -t' 't"3()' I1 dlln,ng:durA30
lex,",,"
I i I
j)
Transición interna conectada a unión conectiva
4. Estado A.Al ejecuta y completa la acción exit:exitAl 5. Estado A.Al se marca inactivo
6. Estado A.A2 se marca activo 7. Estado A.A2 ejecuta y completa la acción entry:entA2() 8. Sf retorna a su estado dormido en espera de otro evento.
Situación: Ahora el evento E_one vuelve a anunciarse y las condiciones [C_one] y [C_two] son falsas, el estado A.A2 es activo.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
450
La situación inicial es: Sf dormido, se anuncia el evento E_one, Sf despierta. La semán_ tica para esta situación es: 1. Raíz del Sf determina si hay transiciones que sean validadas por el evento. No encuentra 2. Estado A ejecuta y completa acción duríng:durA 3. Estado A chequea en su interior por transiciones validadas y encuentra una transición que está conectada a una unión conectiva. Verifica las condiciones de los otros transiciones. Encuentra dos condiciones falsas, así que valida el segmento de etiquetado como válido. Así establece una transición completa que habilita al estado 4. Estado A.A2 ejecuta y completa la acción
interna válida segmentos de transición no A.A3
exit:exitA20
5. Estado A.A2 se marca inactivo 6. Estado A.A3 se marca activo 7. Estado A.A3 ejecuta y completa acción
entry:entA30
8. Sf retorna a su estado dormido en espera de otro evento.
9.11.10. Acciones en descomposición AND Para la explicación referir a la figura 9.20. Es un super_estado A que tiene dos sub_estados Al y A2 en descomposición ANO. Cada sub_estado contiene dos esta_ dos hermanos dispuestos en OR-ex.
/~
- /
"'"',
\
Al entry: entA() during durA() exi! ex:1AO
\ i A21
" A11 entry: entA 1() during: durA 10 (In E_ on8: E_tv;o exit: ex;tA 1(l-
entry ent8,2() during: durA2() exit: exi1A2{)
~-~,
ce.
b
iA2al
i
entry entA2a() i i dUflng durA230 i i
(----) /
i exit: exitA2a.O
('É'~two
, ,
A2b/
"
,
enlry: entA2bO during: durA2b() exi! exitA2b()
~---------------------~
Figura
j
., ,
/ / /
9.20 Accionesen descomposiciónANO
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
451
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redesde Petri y Cartas de Estado
.Situación inicial: el Sf dormido, los estados A.A1.A1a activo y A.A2.A2a activo. Estos sub_ estados contienen transición por defecto. Ocurre el evento E_one y despierta al Sf. La semántica para esta situación es: 1. La raíz del Sf determina si existe transición válida en respuesta del evento E_one. No hay transición válida 2. Estado A ejecuta y completa la acción duríng:durA() 3. Los estados A hijos tienen descomposición ANO. Ellos son evaluados y ejecutados de acuerdo a su posición en el diagrama: de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. El estado A.A1 es evaluado primero. El estado A.A1 ejecuta y completa la acción duríng: durA10. Estado A.A1 ejecuta y completa la acción on E_one y anuncia al evento E-two El anuncio del evento E_two despierta al Sf por segunda vez. La raíz del Sf chequea si hay transición válida como resultado de E_two. No hay transición válida. Estado A ejecuta y completa la acción during: durAO. EstadoA chequea por hijos que tengan transición válida. No hay transición que sea válida. Los hijos del estado A son evaluados comenzando con el estado A.Al. Estado A.Al ejecuta y completa la acción during: durA10. El estado A.Al es evaluado para una transición válida. No hay transición válida por el evento E_two Estado A.A2 es evaluado. Estado A.A2 ejecuta y completa la acción during: durA20. EstadoA.A2 chequea por una transición válida. El estado A.A2 tiene una transición válida como resultado del evento E_two, desde el estado A.A2.A2a al estado A.A2.A2b. Estado A.A2.A2a ejecuta y completa la acción exit: exitA2aO. Estado A.A2.A2a se marca inactivo. Estado A.A2.A2b se marca activo. EstadoA.A2.A2b ejecuta y completa acción entry:entA2bO 4. Continúa con la evaluación inicial del evento E_one. Se detecta una transición válida como resulta_ do de este evento: entre el estado A.A1.Ala y A.A1.A1b. 5:'E~tado
A.A1.Ala ejecuta y completa la acción
exit.exitAla.
6. Estado A.A1.Ala es marcado como inactivo 7. Estado A.A1.A1b es marcado como activo 8. Estado A.A1.A1b ejecuta y completa la acción
entry:entAlb.
9. Estado A.A2 es evaluado y no hay transición válida como consecuencia del evento E_one 10. Estado A.A2 ejecuta y completa la acción duríng:durA2b l1.Estado A.A2.A2b, anteriormente
ahora activo como resultado
del procesamiento
del evento
E_two sucedido
12. Estado A.A2.A2b ejecuta y completa la acción duríng:durA2b l3.EI Sf retorna a su estado dormido en espera de un nuevo evento.
9.11.11. Acciones de transición y eventos anidados La figura 9.21 muestra otra situación que involucra estados en descom_ posición ANO y OR-ex En la explicación considerar que los estados con transición por
, •... '.::.
...
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
452
defecto están activos; se anuncia el evento E_one. Estando Sf dormido el anuncio de este evento lo despierta y la semántica de lo que sucede es:
,Al
"'j ~lri,.n!AO durir¡g:
durA(j
e)~'\:e::-~tAO --- - -- -- - --- - - -
-
. -- ~ -
:','.11 : entry HuA 1o :
dUflng:
durA 1{)
: exit: exitA.l0
.~
Figura 9.21
Acciones de transición y eventos anidados
1. La raíz del Sf busca transiciones que sea válidas como consecuencia de la llamada del evento. No hay transición válida 2. Estado A ejecuta y completa la acción during:durA 3. Los estados hijo del estado A tienen descomposición paralelo, así que son evaluados de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. Estado A.Al se evalúa. Como está activo, ejecuta y completa la acción during:durAlO 4. Estado A.Al verifica si alguna de las transiciones en su interior es válida. Detecta la transición que enlaza sus estados hijo A.A1.A1a con A.A1.Alb . 5. Estado A.A1.A1a ejecuta y completa la acción exit:exitAla 6. Estado A.A1.A1a se marca inactivo 7. Ejecuta y completa la acción de la transición E_two Por causa del evento E_two, el proceso entre las etapas anteriores se detiene Ahora, se despierta por segunda vez el Sf como respuesta al llamado del evento E_two. La raíz del Sf revisa qué transiciones quedan validadas. No encuentra. Estado A ejecuta y completa acción during:durA Se evalúa entre los hijos del estado A por transiciones que sean validadas por el evento E_two, comenzando con el estado A.Al. No encuentra Transición válida Estado A.A2 es evaluado. Estado A.A2 ejecuta y completa acción during:durA2. Estado A.A2 busca transición válida. Encuentra transición válida entre los estados hijo A.A2.A2a con estado A.A2.A2b Estado A.A2.A2a ejecuta y completa acción exit:exitA20 Estado A.A2.A2a se marca inactivo Estado A.A2.A2b se marca activo Estado A.A2.A2b ejecuta y completa acción entry:entA2b
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
453
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
8. Vuelve al proceso anterior al anuncio del evento E_two. Estado A.A1.A1b se marca activo 9. Estado A.A1.A1b ejecuta y completa acción entry:entAlb 10. Estado A.A2 es evaluado por la raíz para encontrar transiciones que sean válidas por el evento E_one. Estado A.A2 ejecuta y completa qCción duríng:durA20. No hay transición que sea validada l1.Estado
A.A2.A2b que está activo, ejecuta y completa la acción duríng:durA2b
12.Sf retorna a su estado dormido en espera de un nuevo evento.
9.11.12. Construcción de decisiones En la figura 9.22 muestra la forma de construir decisiones íf-then-e/se. Se utilizan las uniones conectivas enlazando tramos de transiciones, algunas de ellas etiquetadas con condiciones. Para analizar la figura considerar que el estado A es actL vo y la condición [C_two] verdadera.
DI eniry: enlD() du:ing: aurDO exitD()
exil.
Figura 9.22
Construcción
de decisiones íf-then-else
Situación: Inicialmente el Sf está dormido, el evento E_one se anuncia y despierta el Sf . .La semántica de lo que ocurre es: 1. La raíz del Sf busca transiciones que sean validadas por el evento. Hay un segmento de transición que enlaza el estado A con la unión conectiva. Se evalúan las condiciones de cada segmento siguiendo la regla de la posidón de las manecillas del reloj, iniciando con el segmento de transición que se ubica a las 12 en donde está la condición [C_onel pero esta condición es falsa. Sigue con el otro segmento en donde está la condición [C_two], que es verdadera, así que se completa la transición desde el estado A hasta el estado C 2. Estado A ejecuta y completa la acción exít:exitAO 3. Estado A se marca inactivo 4. Estado C se marca activo 5. Estado C ejecuta y completa acción entry:entCO 6. Sf retorna a su estado dormido en espera de un futuro evento.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
454
9.11.13. Construcción de un lazo for Se puede configurar un lazo for como se ilustra en la figura 9.23. Para explicar el funcionamiento del gráfico de la figura considerar que estado A es activo.
Al
'¡
,"
'--__,) dunng: durAO! 1',exit: exit;.,O
--..,
\__ " ,/ l
e!llB9 . ent:y. dunng: duroO
entry:en!AO L~one{i:=O)
JBl
I"j---
,- -' , I .xi!: exitBO ,
1f-
t // (/ [i<
Figura 9.23
10]{i++; func10J
Construcción
de un
lazo for
Situación: Inicialmente el Sf está dormido, se anuncia el evento E_one y despierta al Sf. La semántica para el proceso es así: 1. La raíz del Sf busca transición que sea validada por efecto del evento. Se encuentra un segmento de transición válido. Se ejecuta y completa la acción de condición {i=O}. De los dos segmentos de transición que salen de la unión conectiva se evalúa el que posee la condición. Este es un segmento autoalimentado
4. 2. La condición [i < 10] se evalúa como verdadera. La condición i++ y la llamada a la func10 son 7. 5. 6. 8. 3.
ejecutadas y completadas hasta que la condición es falsa Se evalúan los segmentos de transición y resulta válida el segmento sin etiquetar: transición desde el estado A hasta el estado B
Se completa la
Estado A ejecuta y completa acción exít:exitAO Estado A es marcado inactivo Estado B se marca activo Estado B ejecuta y completa la acción ent¡y:entBO Sf retorna a su estado inicial dormido en espera de otro evento.
9.11.14. Uso de calificadores En esta aplicación se usa la instrucción send o su forma equivalente Estado.Evento. -Eh la figura 9.24 la acción de la transición B.E_one significa que cuando esa transición sea válida y cumpla la condición, se hace un llamado al estado B, en donde se anuncia el evento E_one. Para el análisis del diagrama de la figura 9.24, se asume que los estado A.A1 y B.B1 están activos, la condición [data1==1] es verdadera y, por definición, los supecestados A y B son activos.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
455
Situación: El Sf inicia dormido, ocurre un evento y despierta el Sf; la semántica es: 1. La raíz del Sf verifica si existe transición que sea validada por el evento. No encuentra 2. Estado A chequea si hay alguna transición validada. Encuentra la condición [datal==l] así que hay una transición válida entre el estado A.Al y A.A2
verdadera!
3. Estado A.Al ejecuta y completa la acción exit:exitA10 4. Estado A.Al se marca inactivo 5. La acción de la transición B.E_one es ejecutada y completada El anuncio del evento E_one despierta al estado 6. El estado 6 determina si hay transición validada por el evento. Encuentra una transición desde el estado 6.61 hasta el estado 6.62 Estado 6.61 ejecuta y completa la acción exit:exit61 Estado 6.61 se marca inactivo Estado 6.62 se marca activo Estado ejecuta y completa acción entry:ent620
,'A
"
,.
, [data1 == 1 liRE_one
-'~-~."
i
e'~;rY,:er,'tA O 1 () exitexitA
rA"
V
"
D,'
r,'A2/
\,
-
"'~
E two
! entry:entA2() ! exit:exiL",2()
----J
....
l
.
.
, B - - - - - - - -," - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - _. -- "
entry:ent810 exit:exitB10
---.....~~~..\
ti ,', ti~
(82/ 1entry:entB20
'1
Ejvío'----{ i exit:exit82() -----'
.
\.~
Figura 9.24
,11
Uso de calificadores en los nombres de eventos
6. Estado A.A2 se marca activo 7. Estado A.A2 ejecuta y completa acción entry:entA2() 8. Sf retorna a su estado dormido en espera de un nuevo evento.
que sea
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456
Parte 3 9.12. Adecuación de la RdP al Mapa Stateflow Como se definió en la Parte 1, el marcado inicial MO es el conjunto de marcas que tiene inicialmente la RdP; este Conjunto se puede expresar como el vedar de marcado inicial (MO), que se deduce de la red y que contiene tantas columnas como lugares tiene la red. La matriz de incidencia está conformada por la diferencia de los arcos que salen de una transición menos los arcos que entran a ella y se expresa como la matriz I. La matriz secuencias (sec) es generada porque es necesaria para el traslado de la RdP a mapa de estado de Stateflow y el número de líneas y columnas depende del número de secuencias paralelas que tiene la red, que pueden evolucionar simultáneamente y de la cantidad de lugares, respectivamente. Considerando que los procesos que se analizan pueden tener dos o máximo tres secuencias simultáneas (o ninguno), significa que el número de líneas de la matriz puede ser dos o tres. Si el proceso bajo análisis no tiene secuencias paralelas simultáneas, la matriz de secuencias no es dada. Para aclarar el significado de paralelismo y simultaneidad de una red: una red puede tener secuencias que son paralelas, pero cada ramal no puede evolucionar simultá_ neamente, sino una a la vez. O bien, la red puede tener secuencias paralelas, y pueden evolucionar simultáneamente. Para determinar la matriz secuencia, se plantean las siguientes situaciones generales que puede presentar una RdP: 1.
La red puede tener dos secuencias simultáneas, es decir, secuencias en las que varios lugares pueden ser activados simultáneamente. Cada secuencia tendrá mínimo dos lugares.
2.
La red puede tener tres secuencias simultáneas. simultáneas a la vez.
3.
La red no tiene secuencias que evolucionen simultáneamente. La red puede tener secuencias paralelas, pero no son activadas simultáneamente, sino una de ellas a la vez.
4.
La red puede tener lugares que son compartidos por secuencias paralelas o secuencias simultá_ neas o sólo una de las secuencias. Mínimo debe ser un lugar con esta característica.
5.
La red puede tener lugares que son compartidos por lugares que pertenecen a una de las secuen_ cias. Mínimo debe ser un lugar.
6.
La red tiene lugares que son comunes a todas las secuencias, o si tiene tres secuencias simultá_ neas, puede tener lugares comunes para dos de las secuencias. De este tipo de lugar puede ser uno mínimo.
No es posible una red con dos y tres secuencias
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457
Hay relación estrecha entre el vedor marcado y la matriz secuencia. Para ilustrar las situaciones anotadas, observe el siguiente ejemplo. Pi P2 P3 P4 PS P6 P7 P8 P9 PiO Pll P12 P13 P14 PiS P16 P17 PiS P19 P20
1o11 o1 MOo= ][ 1 o1
~J
-:..
Se tiene un vector de marcado MO de 20 lugares (20 columnas). La red analizada tiene tres secuencias paralelas con lugares que pueden evolucionar simultáneamente como lo muestra la matriz sec (tres filas). La interpretación de los datos del vector y matriz es la siguiente: 1.
Columna con un dato 1 y todos los demás O significa que el lugar pertenece a una secuencia de evolución simultánea. Así que en el ejemplo, los lugares Pl-P2-P3 pertenecen a una secuencia. Los lugares P8-P9-P10 pertenecen a la segunda secuencia. Los lugares Pll-P12-P13 pertenecen a la tercera secuencia. El lugar P1 tiene marca como indica el vector MO, así que ese lugar es cabeza de la secuencia (lugar activo inicialmente): El lugar P8 tiene marca 1 en el vector MO, así que ese lugar es cabeza de la segunda secuencia. EL lugar Pll tiene marca 1, entonces es cabeza para la tercera secuencia. Generalmente un solo lugar de cada secuencia está marcado. Los demás lugares de cada secuencia no tiene marca, así que están desactivados.
2.
Todos los elementos de una columna de la matriz sec tienen datos cero y está marcada, significa que es un lugar compartido entre secuencias. Este lugar generalmente presenta conflicto. Puede también ser lugar que lo comparten algunos lugares de una secuencia.
3.
Toda la columna con datos lados de los elementos de la columna tienen dato 1 y no está marcada la columna, significa que ese lugar es común para las tres o dos secuencia, respectiva_ mente.
4.
Toda la columna tiene datos O y no está marcada, significa que forma secuencias paralelas pero que no evolucionan simultáneamente y no tienen lugares comunes.
Luego que determina el vector de marcado inicial MO, la matriz de incidencia y la matriz secuencias, esta información numérica se introduce en EXCEL y se guarda en archivos de trabajo WORK de Matlab. Al iniciar el análisis de la RdP en Matlab, la información numérica introducida en EXCEL es capturada, analizada y se arrojan los primeros resultados de acuerdo a los algorit_ mas desarrollado en código de Matlab. La primera condición para poder trasladar de RdP a carta de estado es que la red sea ordinaria. Esto es lo que determina el algoritmo. De acuerdo a la teoría de las Redes de Petrí, la red es ordinaria cuando el peso de los arcos es la unidad. Entonces se determina el máximo valor de la matriz de incidencia y se compara con la unidad para determinar el peso.
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458
Para obtener un mapa en Statef10w (identificar como 51) a partir de una red de Petri y que cumple con todas las condiciones, entonces se hacen las siguientes consideraciones para hacer ese traslado. • Cada lugar de la RdP es equivalente a un estado en Sf. • Si una transición de la RdP tiene sólo un arco de entrada y un arco de salida, entonces en la construcción del Sr, se tienen dos estados y una transición que los enlaza. • Si la transición de la RdP tiene más de un arco de entrada y/o más de un arco de salida, se constituyen en el sr uniones Uunctíons) con transiciones que enlazarán la unión con los estados correspondientes.
La figura 9.34(A) ilustra lo anotado. Se tienen cuatro estados, cada uno de ellos etique_ tado con el nombre del correspondiente lugar que representa. Entre el estado P3 y PS hay una transición que representa en RdP una transición con un arco de entrada y un arco de salida. Una unión que equivale en RdP a una transición, en este caso con un arco de entrada y dos arcos de salida.
/~~tO"-"-'CJ
I
Lugar Estado---::.
/~~ i
o::!
.~'-,../
~
,
••
! ! I
~I
I
03&
// .1
/
/ :\
......-un arco de entrada con \ yTransicion uno de salida
/'J., I 'P7 ~P5\) I~! "j
I
/. ../
Unjan que representa
-¡."
05
j "".
\
D'/ ~ ,/! --¿.(!
P7"
-
..•..••..
una transicion con un arco arcos de entrada de salida y dos ----..
'.'t· /_._\
-'
.-
•.
~¡
~
UP11 ro---, . t--1'.(A)
Figura 9.34 (A) Muestra
de estados, transiciones y uniones en Sf
(B)
(6) Mapa
Statef10w del Proceso-prueba6
• Una vez el programa sr corre, la presentación del mapa que entrega es como se muestra en la figura 9.34(8). Este es el mapa para el Proceso_prueba6.
Se presentan en esta sección algunos ejemplos a los que se aplican los algoritmos desarrollados en código Mat/ab, para la adecuación de las Redes de Petrí en mapa de Sr. Son procesos que poseen todas las variantes analizadas: con dos y tres secuencias simultáneas, procesos sin secuencialidad, traslado de GRAFCET a Red de Petri. Con estos ejemplos se llega hasta obtener el mapa equivalente en Statef10w y su edición. En la
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
459
siguiente sección se completará el procedimiento de traslado de la RdP a carta de estado de Stateflow y su análisis. Todos los ejemplos propuestos y desarrollados en todo el libro son aplicaciones de procesos industriales de manufactura y fabricación de eventos discretos.
9.12.1. Proceso_prueba4 El proceso está conformado por un vehículo que se desplaza automática_ mente por la línea de producción y otra línea en donde se procesa algún producto. El vehículo recorre la planta y se ubica en una zona en donde un robot lo carga con el producto previamente elaborado. Luego, el vehículo lleva ese producto a la zona de almacén. En la otra línea, la materia prima es transformada para obtener el producto final. La Red de Petri del proceso se muestra en la figura 9.25.
(A)
Figura
(B)
9.25 Red de Petri para el Procesoyrueba4 (A) y (B) Disposiciones diferentes de la misma red
El AGV (Automated Guided Vehide) se desplaza por los lugares Pl, P2 Y P3. El producto se procesa en los lugares P4, P5 Y P6. P8 indica la disponibilidad del robot y P7 es la disponibilidad del AGV. P9 representa la situación de ocupado de los dos recursos el robot y el AGV. Pl equivale al almacén en donde está el AGV. Como se observa en la red, hay dos secuencias de evolución simultáneas, ya que es posible que mientras el vehículo esté transportando producto, en la otra línea se esté fabricando. Con base en la RdP, se extrae el marcado inicial MO y la matriz de incidencia L Estos arreglos se guardan en un archivo Excel, de donde son extraídos por el programa de Mat/ab que realiza el análisis de la red. Los archivos se guardan con los nombres:
r-
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
460
marcado _MO-4.xls, matriz_i ncidencia-4 .xls, matriz_secuencias-4.xls
El archivo de Matlab para adecuación y análisis de la RdP se llama: hum_RdP.m Cuando se abre este programa y antes de correr, se debe colocar exactamente en las líneas 65, 69 Y 73 del scnptdel programa el número 4. A continuación se explica cada pantalla que aparece al correr el programa.
El siguiente es un progre:ma desarrollado en Haclab que efectua el analisis de una Red de Petri, s\.lJl'Iinistrando seguridad, lirnitacion, tiempos características de la red tales corno: analisis de marcedo, vive<:a, reversibilidad, y alcanzabilidad, mediante una secie de algoritlOos que combinan la li'latematica con la prograrnacion. StateflotJ de J-1e.tlM, entregando el mapa de lugares, uniones Luego, con base en esas ce.re.cteristicas, se tres lada El
transiciones.
'Y
Para iniciar el analisi5,8 pal:t,ir de incidenr.::ia deternlinar si la red lugares que forma cada secuencia. Si tiene t.res secuencia~, la znatriz que "l
de la Red de Petri se debe obtener: vect.or de marcado inicial HO, la matriz tiene secuencias paralelas. Determinar su nWliero y generar una mat.riO! con los la red tiene dos sec1,lencias pacalelas, se genera una mat.riz de dos lirJeas, si ~e genera es de tres lineas.
Esas matrices se copian en Exce:l y se les asigna de trabajo de Hatlab. La capacidad :para las Redes de Petri de 40. Pare. St.atefloLJ, maximo 30 lugares
Presionar
++++++
enter
El siguiente
para iniciar
es el analisis
el nombre con exten~ion
nombre.M
y
se guardan en el archivo
es: lugares y transiciones no hay limite. Numero de marcados para analisis 30 transiciones y dos o tres secuencias paralelo como maxi:mo.
y
analisis
estructural
de una Red de Petri
'l las condiciones
para trasladarla
a Stateflov
++++++
Las caracteristicas de la Red son: Hatrio: de Incidencia 1:
I 1
<
-1
-1 -11 O O 1OO
OO
Harcedo inicial
1!.:o:
Hatri2 d!!. Se.cu~ncie.~:
La Red de Petri tiene dos secuencias Contiene
9 lugares
La red es ordinaria:
de evolucion
simultanea
y 6 transiciones
Los lugares no superan peso unidad. Prirrlera conó.icion para poder trasladar
a StatefloiJ
Pantalla 2
En la primera pantalla se presenta un mensaje de introducción. debe pulsar la tecla Enter.
Para salir de allí se
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
461
En la pantalla 2 se muestran las características iniciales de la red a analizar. De esta información se deduce el número de lugares y transiciones que contiene la red. En este proceso la red tiene dos secuencias simultáneas. A partir de la matriz de incidencia se deduce si la red es ordinaria o no (peso de los arcos igual a la unidad). En este ejemplo, la red es ordinaria, así que se da el mensaje: Primera condición para poder trasladar a Statef/ow.
Si la red no es ordinaria, no se permite el paso a Statef/ow. Determina
marcados
o
no=
iniciando
o
Transician
disparable
Transicían Secuencia
disparable de marcado:
Determina
nuevo
Desea
anali2ar
Entre
marcado
Introduce
Indique
un nuevo para
marcado
nUItlero
nl=
o
1
o
T4 Marca
O
marcado?
determinar
(8) s ~
transiciones
manualmente
(m). Entra
de Transician disparable 11
disparables transicían:
a analizar:
o transicion automaticaroente
para
determinar
(a), Secuencia
nuevo
marcado
de marcado
(5):a
Tl ~
es: o
o
disparable
T2
Transicion
disparable
T4
Secuencia
de marcado: nuevo
o
Tl
Transicion
Determina
1
o
marcado:
nuevo l'úarcacto
El
con:
Marca
o
1
1
o
1
marcado:
Pantalla 3
En esta parte del programa se inicia la simulación. Hay continua interacción con el usuario, porque se debe entregar información para que el programa pueda operar. Se muestra el marcado con que inicia el análisis, esto es el marcado inicial MO (la marca raíz) y las transiciones que pueden ser disparables, como Ti y T4. Se coloca un orden de secuencia de marcado, para tener en cuenta. Se interroga: Desea analizar un nuevo marcado? (s) Usuario teclea s si acepta. Si teclea Enter, sale de esta parte del programa. Luego de aceptar aparece otro mensaje, dando tres opciones: Si teclea m, significa que se va a entrar un marcado manualmente. Si teclea a, es porque se quiere analizar una de las transiciones que es disparable con el marcado
~-
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
462
actual. Si teclea s, es porque se quiere analizar una transición que fue dada anterior_ . mente, para otro marcado. En este caso se teclea a entonces se debe teclear el número de una de las transicio_ nes que es disparable: 10 4 (sólo el número). Se teclea 1. El resultado es el marcado MI y otras transiciones que son disparables con este nuevo marcado; sólo es disparable T4. Así continúa la simulación. El nuevo
marcado
M es:
o
1-15=
o
o
Transicion
disparabIe
Tl
Transician
disparable
T6
Se repite Secuencia Determina
MO:
nuevo
analizar
Entre
marcado
Introduce Indique El nuevo M6~
para
marcado
marcado
Se repite Secuencia
narca
marcado?
determinar
de Transician
(s) s
transiciones (rn).
Entra
disparable
disparables transician:
a analizar:
o transician autornaticffiúente
para (61.)/
determinar Secuencia
nuevo
marcado
de marcado
(5):61.
Tl
M es:
o
disparable Ml:
5
manualmente
o
Transician
o
marcado:
un nuevo
numero
1
Old
de marcado:
Desea
o
o
o
o
1
o
1
o
T6
Old
de marcado:
Marca
6
Pantalla 4
En la pantalla 4, para el marcado M5 aparece el mensaje:
Transición disparab/e
T6. Se
repite MO: o/d.
Significa que cuando dispara T6, el marcado inicial se repite. Ese resultado va a indL car que la red es reversible. Obviamente que no tiene sentido disparar T6. Aparece una segunda transición que es disparable: T1. Másadélante,
con el marcado M6, al disparar T6 se repite el marcado Mi.
En la parte final de la pantalla 4 se teclea Enter, así que se sale de esta parte del análi_ sis y entrega la siguiente pantalla 5.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Harc:=.d.c::
anali:o::ados: o
:HO=
IU=
o
112-
o
463
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
115=
o o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
No se presentan bloqueo~ parciales ni totales: Así que la red e:'5 viva Segunda condicion que satisface para trasladar
f·
Deadlac}: fr~e la Red a Scaeeflow.
Pantalla S
Se entrega el listado de todos los marcados alcanzados. En este programa se pueden analizar hasta 40 marcados. Se presenta mensajes de: no bloqueos, la red es viva y cum_ ple la segunda condición para el traslado a Stateflow.
Si se presentan bloqueos, el programa zada.
no permite
trasladar a Stateflow la red analL
~J!alisis P-Invariant E~ta prueba Indicar
determina
el numero
conservatividad
de combinaciones
de la red
deseado
(desde 1): 5
En esta prueba, debido a que se tienen infinitas sol~ciones, se han asignado valores luego se tiene la posibilidad de obtener o no resultado, o resultados repetidos.
La siguiente
es solucion
aleatorias
de P Invariant:
x = o
Desea
o
o
calculo
tolarea_HO="!, Marca_M9=~,
o
de smna de tokens para
Jlarca_t'Il=~,
los marcados
analizados?
(3) s
Harcs_H2=4, Harca_H3=~, l'larca_H~=~, Harca_1'1S="i, Harea_H6=4, Ha'rca_117=4, Harcs_H8=4
Marcs_Ml0=4,
Pantalla 6
La pantalla 6 muestra resultados del análisis de conservatividad, basado en P_invariant El usuario tiene la opción de entrar un número de combinaciones de P_invariant. Entonces tiene dos opciones: entrar un número o teclear Enter. Si teclea Enter, sale de esta prueba al siguiente análisis. En el ejemplo se tecleó 5, quiere decir que se desean 5 combinaciones de P_invariant
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamíento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petrí y Cartas de Estado
464
Como en la determinación de estas combinaciones, el algoritmo utiliza aleatorios, se pueden presentar varias situaciones: • No entrega combinaciones, así que aparece un mensaje de la imposibilidad de obtener combinación • Sólo resulta una combinación • Entrega varias combinaciones pero repetidas • Resultan las combinaciones indicadas y diferentes
Una vez muestra combinación del P_ínvariantaparece
mensaje con opción:
Desea cálculo de suma de tokens para los marcados analizados? (s).
Si acepta, se hace la suma de las marcas de cada marcado analizado anteriormente; para el ejemplo, la _sumatoria de tokens en cada marcado es 4 y es igual para todos los marcados. Significa que la red es conservativa. Puede suceder que en el primer análisis, se introdujo manualmente un marcado que no es alcanzable, la prueba de P_ínvariant va a mostrar que la suma de marcas de ese marcado va a ser diferente de los marcados que sí son alcanzables.
Esta La
prueba
determina
siguiente
Las
columnas
Las
filas
Para Con
esta esta
Compare
es
la matri8
son
los
prueba
lugares
puede
la primera
1
Pl P2
y
en el
(boundedness)
los
lugares
orden:
de
de
la red.
la red
Ma Ml H2
...
disponer
analizar
columna
y limitacion
analizados
a los marcados
,es necesario se
(safeness)
de marcados
corresponden
matriz
- o o Harcado ao1 = a1
seguridad
la
del mayor liruitacion
(HO) con
las
otras
numero de
posible
de marcados
la red
columnas
para
este
analisis
1
1
Red es 1 segura' La Las
red
es
limitada
y segura.
Satisface
5iguientes son conclusiones
Si los elerrlentos los
que
la quinta
se deducen
observando
de la ]:"liatri2 l1.::O..I"cado son O's lugares crece en el nlli~ero de
si
alguno
de
Si
algun
lugar
tenia
Si algun
lugar
no tenia
una
marca
V luego
warca y luego
condicion
V
lIs,
tokens
no vuelve
para
poder
la matriz
trasladarla
a Stateflo~
Harcado:
la red es l_segura entonces
a tener,
es red
ililüitada
es IDl Siphon
e~dquire una per:nlanente!:nent.e,
es un Trap
Pantalla 7
En la pantalla 7 está indicada la prueba de seguridad y limitación de la red. El resuL tado es que se trata de una red limitada y l_segura (las marcas son ceros y unos).
AUTO MATIZACIÓN
9.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
465
Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Analisis La pru~~a
T-Invarient ana1128
reversibilidad
La red es reversible~ Secuencia
de la red
así que cumple
de crensiciones
la cuarca
disparadas
para
condición
las cuales
para
poder
trasladarla
a StaceflQ~
HO :se repite:
1
continuar Transicían: transicían: Veces dispara. ",;reces ENTER transician: dispara trensicion: tra·nsicion: T 2, 4, para T5, Tl, que T 6, quela T3,
Pantalla 8
El análisis mostrado en la pantalla 8 muestra la reversibilidad de la red. Corresponde a la prueba del "Cinvariant. Para el ejemplo la red es reversible, es decir que se repite el marcado inicial. Esta es otra propiedad necesaria para el análisis de la carta Stateflow. Si la red no es reversible, el programa no permite traslado a Stateflow.
Esta prueba determina la alcanzabilidad de los marcados en la red 7 el tiempo en ir desde el marcado MO hasta el marcado seleccionado. Desea analizar tiempos? (s) s Indicar el n~rrúerode marcas a analizar Entrar los retardos O T6 T5: 3.2 O Transicion 1.3 1.5 T2: T3: T4: T1:: 2.0
(desde 1 hasta 6):6
de las transiciones
Transicion Transicion
Introduzca o
numero de Marca a la que desea determinar
1
O
O
O
1
O
1
tiempo: M6 O
PRUEBA CORRECTA. Significa
que el marcado
an."lizado es alcanz;=J:,le.
Veces que las transicicones disparan para ir desde MO hast.a el marcado T1: 2, T2: 1, T3: 1, T4: 1, T5: 1, T6: O, El tiempo tata
~Ae
tarda en ir desde Mo hasta el marcado
Pantalla 9
escogido
seleccionado:
es:
9.30 seg
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
466
La pantalla 9 presenta el análisis de alcanzabilidad y determinación de tiempos. Se dan dos opciones: aceptar tecleando s o Enter para salir de esta prueba. Al aceptar se debe introducir el número de marcas para analizar. El mínimo es 1 y el máximo (recomendado) es el número de marcas analizado. Luego entra los retardos para cada transición. Las unidades son segundos. Siguiente mensaje, para introducir el número de la marca al que se quiere analizar alcanzabilidad. El resultado de esta prueba es entregar las transiciones que se dispa_ ran para alcanzar el marcado indicado desde el marcado inicial. Para la pantalla mostrada, se analiza el marcado M6, confirma prueba correcta y muestra que para alcanzar M6 desde MO se dispara la siguiente secuencia de transi_ ciones: Tl-Tl-T2-T3-T4-T5. Introduzca
numero de tiares o
a la que desea
o
determinar: t1eropo: 1m
o
o
o
Posiblemente: -----
El
marcado
analizado
no
es
o introdujo la marca
alcanzable
-----
inicial HO
Pantalla 10 En la pantalla 10 se indica análisis para ~~~*****
Presionar
++++++++++++++++++++++++
No Una
olvidar: vez
FIN
actualizar
se obtenga
~n
el
el mapa
enter
para
DEL
ANALISIS
~cript
del
del
finalizar
PARA
programa
stateflo~,
editar
ana11sis
LA RED
el
MO,
DE
numero
el resultado es el mensaje que se indica. de
PETRI.
del
la Red
de
n~ICIA
TRASLADO
proceso
en
Petri
*~~~r.***
A STATEfLOW
+++++++++++++++++++++++++++++
prueba
el qrafico.
Pantalla 11
Pantalla 11 presenta los mensajes finales del análisis. Tener en cuenta el penúltimo mensaje. Cuando termina el análisis de la RdP, automáticamente abre el programa correspondiente al Stateflow de acuerdo a la configuración de la RdP. Entonces en el nuevo script se debe colocar el número del proceso correspondiente. Los programas correspondientes a la obtención del mapa Stateflow, tienen los siguien_ tes nombres: s~hum_3S.m s~hum_2S.m s~hum_NS.m
para red con tres secuencias simultáneas. Para la red de dos secuencias simultáneas Para red sin secuendas simultáneas.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
El programa hum_RdP.m al finalizar abre automáticamente corresponda de acuerdo a la red que se analizó.
467
el programa de Sf que
Al correr el programa del Stateflow, entrega la pantalla 12.
Pantalla 12
Haciendo la edición del mapa obtenido, como se recomienda en el último mensaje de la pantalla 11, queda el mapa mostrado en la pantalla 13. Tratar que la posición de los estados del Stateflow coincida con la posición de los lugares de la RdP.
Pantalla 13
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
468
9.12.2. Proceso_prueba6 La siguiente es una RdP de un sistema de mecanizado con una máquina de control numérico. La red se muestra en la figura 9.26. y la descripción del proceso es:
Figura 9.26 RdP de un sistema CNC, del Proceso_pruebéi:>
Se maquinan dos piezas diferentes en una máquina de control numérico CNC (Computer Numeríc Contro~. Las piezas a tratar vienen de líneas diferentes (en donde se les ha hecho otras operaciones). Los lugares PI y P2 indican que las piezas están listas para iniciar la operación (PI corresponde a la disponibilidad de la pieza 1 y P2 disponibilidad de la pieza 2). PII es la máquina CNC, así que la marca en este lugar representa disponibilidad de la máquina. Entonces en términos de las RdP, en este lugar se presenta conflicto. Para efectos de la simulación, se asigna aleatoriedad en la selección. Si la transición Ti o T2 disparan, significa que la pieza respectiva ha ocupado la máquina. Los lugares P3 y P5, representan la serie de operaciones que el CNC hace en la pieza 1y los lugares P4y P61as operaciones en la pieza 2. Cuando la transición T5 o T6 se dispara, el sistema evoluciona, indicando que la pieza 1 o pieza 2 ha abandonado la máquina y esta, a su vez, vuelve a estar disponible. Los lugares P7y P9, o P8y PI0, representan el tránsito de cada pieza, hasta llegar al final de operación en la transición T9. Pero para que las piezas abandonen el sistema, deben estar las dos terminadas, lo que se representa con marcado en el lugar P9 y PI0. Cuando se cumple esta condición, las piezas son retiradas y entran nuevas piezas al sistema (esto representa la realimentacián desde T9 hasta los lugares iniciales)
El proceso tiene dos secuencias paralelo que pueden trabajar simultánea e independiente_ mente, siempre que dispongan del recurso compartido.
Con base en la red de la figura 9.26 se deduce la matriz de incidencia, el vector de marcado inicial y la matriz de secuencias simultáneas. Esos arreglos se pasan en Exce/ y luego se guardan con la extensión (.m) en la carpeta de trabajo de Mat/ab.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Los resultados de la simulación se muestran en las siguientes pantallas. = =la 9State:flow ordinar:ia: unidad. incidencia: Red superan caracLeriscicB.5 son: secuencias -1 -1 O O -1 dos tiene Ode O OHa: Pet:ri no condicion Prirnera 11 O de red es 1 trasladar a Los t ransiciones poder inicial eso lugares yp para paralelas lugares
1
LaLa~
O
--
viva nuevo O O analizados: Desea StaxeilOTi. Red asat:lsface latrasladar la O O OO O marcado? un O condicio!:. red totales: anali2ar ni presentan se free Deadlock bloq1:.=_5 péu:a que que pe..rciales (,,) =~=c==============================c===================================, Harcados S€;gunda lIO=
469
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado .i:l.ali= i:= p- Invariant !:St'.::. p::L:=.ba determina conservativici.=.:: ~~ la ::::-~:: I:lcice.r ~l !ll..L.-nerode corril)inaciones c:::~=e.:::;:) (C.'=.;,c,::l): 5 En -=:sta pr"ueba, debido a que: se ti;;:I:==-_ i~i!"..:';:=.s :=oluciones, :::e han asignado valores l".l~;;O se tiene la posibilidad de: obT:=:~== ~ no re5ultec.o .. o result.ados repetid,:);:;.
¿
aleatorias
=
o
o
Desea ce;.lculo Harca lIO=2 Harca_H9:2,
Si Uarcas
de Surt'ls.de tokens
para los
llarca _MI=2, Harca_M2=2, Marc8._HIO=2,
IIi
=
Harcas
marcados ,smE:.lizacios?
Marc6._li3=2,
1!J.2 = Ue.rcas M3 = ...
(5) s
!{arce~_HA.=2, Uarc6._lt5=2,
Entonces
l1arca_M6=2,
la red es Conse:rvat
Marca_M?""2, Uarca. 118=2
i va
Si la suma de las marcas difiere puede ser: red no conservativa O el marcado analizado no es alcanzable o se introdujo
algun marcado
Si la red es conservativa,
equivocado.
se cmople
Es conveniente
la tercera
efectuar
condicion
el analisis
desde el comienzo
para poder trasladar
a Stateflow
..A.nalisisT-Invariant La prueba analiza
reversibilidad
La red es reversible, Secuencia
de la red
así que cumple la cuarta condición
de transiciones
disparadas
para poder trasladar la a Stateflow
para las cuales HO se repite:
transiGion: Veces transician: la T6, transicion: dispara transiGian: 19, Transician: 2, 3, 4, S, 7, 8". T que Ti,
Esta prueba determina seguridad --.,.
(safeness) y limitacion
(boundedness) de la red.
La siguiente es la rnatriz de marcados analizados y los lugares de la red Las columnas corresponden a los marcados en el orden: MO M1 M2 Las filas son los lugares P1 P2 ... Para esta prueba es necesario disponer del mayor m,llrlerO posible de marcados Con esta matriz se puede analizar la limitacion de la red Compare la primera colunma (MO)'con las otras coltmmas para e5te analisis segura Satisface: O Marcado segura. red O 11es limitada 1O~rasladarla poc.=:r 1a StateÍlow laO1 Vcandicion quinta para
La
-
1
Las siguientes son conclusiones qu= ~=:c=ducen observando la matriz Marcado: Si los elementos de la matriz Harcac.o ~O:l OIS '7 lis, la red es l_segura si alguno de los lugares crece en el ::n'=."=.:!ro de tokens entonces es r::d ilinütecia Si algun lugar tenia una marca y lu=:~: ~D ·r~elve a tener". es un Siphon Si algun lugar no tenia marca y l~e~: ~d~ire una permanentemente, e.5 ~
T=ap
470
AUTOMATIZACIÓN
9.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
471
Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
nmnero de Harca a la que de:=E:a c.:t:r!rünar
Introdu2ca o
o
PRUEBA
Ti:
que
que
1,
el marcado
O,
1,
T3:
total
que
+++++++++++++++++++FIN
1'·Joolvidar
O,
tarda
en
DEL
actualizar
se obtenga
disparan
T4.:
Presionar
~~T.T.~~~~
vez
o
analizado
las transiciones
T2:
El tiempo
Una
o
o
o
H3
1
o
CORRECTA.
SigniÍica Veces
o
tierl'lpo:
T5:
1,
enter
B~ALISIS
del
para
ir desde T6: O,
ir desde
en el script
el mapa
es alcauzable.
PARA
del
el marcado
editar
escogido
analisis
DE PETRI.
prograrC'l8
stateflow,
ser
trasladada
a Sateflow
no hasta el marcado seleccionado: O, T8: O, T9: O,
finaliaar
LA RED
puede
T7:
Mo hasta
para
La red
de
INICIA
ES:
la Red
TRASLADO
3.00 de Pecri
seg ~T.~T.T.T.T.T.
A STATEFLO~+++++++++++++++++++++,
el n:u.merodel proceso en prueba el grsfico.
T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.**T.r.T.*T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.T.7.T.r.T.T.T.T.T.T.*r.*************************1
Figura 9.27(A).
Mapa Stateflow para el ProcesoJlrueba6
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
472
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redesde Petri y Cartas de Estado
Figura 9.27(8).
Mapa final Stateflow para el ProcesoJ)rueba6
9.12.3. Proceso_prueba2 El proceso propuesto en este ejemplo consiste en la fabricación de piezas que son repuestos para maquinaria industrial. La siguiente es la descripción. Una pieza metálica está conformada por tres partes que se ensamblan encajando y formando un solo objeto. Se fabrican piezas de dos tipos dependiendo de la máquina en donde van a ser colocadas. Aunque tienen el mismo tamaño, sin embargo, durante el proceso de ensamble van a recibir tratamientos diferentes que les da su particularidad. Para efectos de identificación de las piezas se catalogan como pieza tipo 1 y pieza tipo 2. Las piezas tipo 1 se utilizan en maquinaria agrícola en donde las condiciones de trabajo no son tan agresivas, mientras que las piezas tipo 2 se van a utilizar en maquinaria que está expuesta a trabajos y ambientes muy agresivos.
La fabricación y tratamiento de las piezas tiene el siguiente proceso. Las piezas llegan a la planta pre_ensambladas,
/
es decir, las tres partes están unidas pero no selladas.
Para claridad en la explicación, las partes de las piezas, se catalogan como parte superior (con forma de campana), parte central (une las otras dos partes) y parte inferior, con forma esférica. Entonces se identifican como Parte_s, parte_m y parte_i. Cada pieza pre_ensamblada es llevada por un brazo robot a una de dos líneas de maquinado y trata_ miento: línea 1 (Ll) Y línea 2 (L2). Cada línea se encarga de dar las características particulares a la pieza que pase por allí. Ll se encarga de transformar la pieza inicial en una pieza tipo 1; L2 hace algo semejante con la pieza tipo 2. Entonces, sólo puede haber una pieza a la vez en esas líneas (no puede haber pieza simultánea
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
473
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redesde Petri y Cartas de Estado en cada línea ni más de una pieza en una de las líneas). Una vez la pieza es colocada por el robot en una de las dos líneas, no colocará otra pieza, sino hasta que la pieza que se esté tratando quede completamente terminada y colocada en el almacén. . Tratamiento
de la pieza en
Ll:
Cuando la pieza se coloca en esa línea recibe el siguiente tratamiento: • Taladrado y torneado en la unión de las tres partes. • Tratamiento químico adecuado para su operación en el ambiente de trabajo • Recubre con químicos que la protegen en el ambiente en donde se va a instalar. Tratamiento
de la pieza en L2:
• Tratamiento a alta temperatura • Taladrado y fresado en toda la zona de unión de las tres partes • Tratamiento químico de acuerdo al ambiente de trabajo en donde va a estar~ Luego que la pieza termina en la línea en que estuvo, pasa a un mecanismo que separa las tres partes y cada una de ellas, independiente y simultáneamente es llevada a otras líneas en donde reciben nuevos tratamientos. Estos tratamientos son particulares para cada pieza y son los siguientes: Tratamiento parte_s' • Procesode inyección en el interior de la parte • Adición de aditamentos en el interior Tratamiento parte_m • Soldadura de aditamentos · Fijación de empaques Tratamiento parte_f. • Colocación de bujes · Torneado de roscas para espárragos. Después que las tres partes reciben sus tratamientos particulares, son recogidas, ensambladas, selladas y llevadas al depósito. La pieza está terminada y se da la orden para que el robot coloque una nueva pieza. Es importante que las tres partes lleguen simultáneamente para ser ensambladas, ya que esta parte del proceso es automática. Para efecto de construir el modelo, se considera que pueden fabricar indefinidamente coloca la pieza pre_ensamblada en forma aleatoria (sin prioridad).
piezas y el robot
Tener los siguientes sensores: Sensor que detecta pieza en una de las líneas de tratamiento iniciales Sensor que detecta las piezasseparadas luego de pasar por una de las dos líneas Sensor que detecta pieza terminada y que avisa al robot para la colocación de otra pieza. Las demás operaciones tienen tiempos definidos (no se incluyen)
El modelo se va a desarrollar en GRAFCET. Entonces se hace una descripción literal de todo el proceso que ayudará a formular el SFC. 1.
El robot coloca pieza pre_ensamblada en línea 1 o línea 2 Piezapor línea 1: Actúa sensor 1. Robot queda bloqueado. Maquinado pieza Tratamiento químico Piezapor línea 2: Actúa sensor 2. Robot bloqueado. Tratamiento alta temperatura Maquinado y tratamiento químico
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
474
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redesde Petri y Cartas de Estado 2.
3.
Des_ensamblede partes. Sensor detecta partes de la pieza Parte_s: Inyección Colocaciónde aditamentos Parte_m Soldadura Fijación de empaques Parte_i Colocaciónde bujes Maquinado Ensamble. Detecta las tres partes. Efectúa ensamble final. Terminado y orden al robot para colocar nueva pieza.
La figura 9.28 muestra el GRAFCETcorrespondiente al proceso descrito. Tiene 12 etapas y 11 transL ciones. El robot se representa con la etapa 1. Las líneas de tratamiento las forman las etapas 2-3 y 45. Ellas forman una estructura OR-ex. La zona en donde se separan las piezas es representada por la etapa 6. El tratamiento de parte_s la forman las etapas 7-8, de la parte_m las etapas 9-10 y de la parte_i las etapas 11-12. Forman una estructura ANO. El ensamble final se hace en la transición 11. Transiciones 1 y 4 son los sensores que detectan pieza traída por el robot Transición 7 detecta que las partes están separadas.
Figura 9.28
Diagrama GRAFCET del Proceso-PnJeba2
atri::
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
475
Siguiente paso es convertir el GRAFCET en una Red de Petri.
,.
....••
Figura 9.29
Red de Petri equivalente
al GRAFCET de la Figura 9.28
La equivalencia es prácticamente elemento a elemento: Cada lugar del GRAFCET se hace equivalente a un lugar de la Red de Petri y cada transición del GRAFCET es reemplazado por una transición en la RdP. El lugar Pl presenta conflicto, lo que equivale a una OR-ex del GRAFCET y la Transición 7 de la RdP es equivalente a la operación ANO del GRAFCET. La marca en el lugar Pl significa que es el único recurso que está disponible inicialmente. Se determina las matriz de incidencia, vector de marcado inicial y como el proceso tiene secuencias simultáneas (tres secuencias: P7-P8, P9-PlO Y Pll-P12), se determina la matriz_secuencia. Del programa de Matlab hum_RdP.m se obtiene: ++++++
El siguie.nt.e es el an~lisis
-1 -1 1 ~
-1
= L.s R'.::c laC::5.racterist.ica~ O O O Incidencia ['OO['Ode " OO OO de O ::0::1;
es~ruc~ural de una Red de Petri y las conciiciones para trasladar la a Stateflow
"
~
++++++
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado J'
476
~ O1O de110: Secuencias: inicial O O O 1 O
O
Harcadl='
La Red de Petri Contiene
tiene
12 lugares
La red es ordinaria:
tres
secuencias
de evolucion
simultanea
11 transiciones
V
L08
lugares
no superan
peso
unidad.
Primera
condicíon
para
poder
trasladar
a Stateflow
La Red de Petri transformada por el programa sf-hum_3S al mapa de Stateflow se mues_ tra en la figura 9.30, ya editado. Lo que sigue es transformar este mapa a una carta stateehart que pueda ser simulada en Stateflow. Este es el tema de la siguiente sección.
/i_P2
no_s_ec~)-/ r---------_ -----.,.
Figura 9.30.
Carta Stateflow ya editada del ProcesoJ}rueba2
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de E entes Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
477
9.12.4. Proceso_prueba17 El proceso consiste en un sist~ de manufactura flexible en que dos robots ensamblan circuitos impresos, como muestra la figura 9.31.
Rc;bGl1
Zona con circuitos
Figura 9.31.
In'l)l'e50S
Esquemadel ensamble de circuitos impresos para el ProcesoJ}rueba17
Se tiene una zona (arriba) en donde está el suministro de los elementos y en la parte inferior está la zona que contiene las tarjetas de los circuitos impresos. Los dos robots efectúan el mismo trabajo, que consiste en tomar componentes del alimenta_ dor y los trasladan a la zona de circuitos impresos en donde son ensamblados. La operación que realiza cada robot es: inicialmente el brazo del robot está en la zona alimentadora, atrapa componentes, recoge el brazo lIevándolo a la zona de impresos, inserta los componentes, luego vuelve el brazo a la zona alimentadora. Solo un robot puede tomar elementos, para evitar colisión con el otro robot. La RdP del sistema se muestra en la figura 9.32. Tiene dos secuencias simultáneas, que representa cada una de ellas la operación de un robot. Los lugares representan las siguientes operaciones: P1 la marca representa disponibilidad de componentes que toma el robot 1 (P8 para robot 2). P2 robot 1 atrapa componentes (P9 robot 2) P3 el brazo de Robot 1 se contrae (P10 robot 2) P4 robot 1 se desplaza a la zona de PCS (Printed Círcuít Board) (P11 para robot 2) PS robot 1 inserta componentes en PCS (P12 robot 2) P6 brazo robot 1 se extiende (P13 robot 2) P7 robot 1 regresa a zona alimentadora de componentes (P14 robot 2) P1S la marca representa disponibilidad del robot 1 para operación (P16para robot 2) PJ7-Tamarca de ese lugar indica disponibilidad de la zona alimentadora para el robot P18 la marca allí muestra disponibilidad de zona PCS.
El proceso tiene dos recursos que son compartidos: los lugares P17y P18. Las marcas indican disponibilidad del recurso. De la RdP se extrae el vector de marcado inicial, la matriz de incidencia y la matriz de secuencias. Estos arreglos se introducen en Excel.
AUTO MATIZACIÓN
9.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
odelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Figura 9.32.
.
;:nitiad. o1de Pr1mel:B. condicion incidencia: lasecuenC:l~ caracteristice.~ -1 tnmsicione;do. ~::~~le.ciar inicial 18 ordinaria: son: Lo. 11 ade tiene Scat.eilow 1 1Red Ma: y-1 =~:.:,-" lugare5 y 14 lugares ~t.:.;~=~ ¡:~:=. Mat/ab son: RdP.men hum_ resultados análisis extraídos del del programa Algunos O :;:0::'== [> O [e' >O O O O
La!{arce.do red e~ MO
1=
-11
O
O OO
O O O
Red de Petri para el ProcesoJ]rueba17
478
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Even 5 Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Marcados
analizados: o
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112=
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o
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o
o
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[1
[1
[1
[1
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o
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o
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o
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o
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[1
H13=
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o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
No se presentan bloqueos Asi que la red es viva Segunda
parciales
condicion que satisface
Aneli:sis T-In·.•. ·ariant La pl:"ueba anali:o:a reve.l:"sibilidad La red es reversible,
así que
Secuencia de transiciones Transicían:
Transicion: Transicion: Transicion: Transicion:
TI0 .... T11, T12, -.
ni totales: Deactlock
para trasladar
free
la Red a SCatefloT».
de la red
cU!l'Iple.
disparadas
T1, Veces que dispara Tral"J.sicion: T2f Veces que dispara Transicían: T3, Veces que dispara Transicion: T.q, Veces que dispara Transicion: T.S, Veces que dispara Transician: T6, Veces que dispara Transicion: T7, Veces que dispara Transicion: T8, Veces que dispare Transicion: T9, Veces que dispara Transician: TI0, Veces que dispaca TransiciQn: Tll, Veces que dispaca Transic ion: T12, Veces que dispara Transicion: T13, Veces que di~para Transicíon: T14, Veces que dispaca para la secuencia Transicíon: TI, Veces que di::par;. Transicion: T2, Veces que di::pa.::a Transicion: T3, Veo:::es Transicion: H, V!ecees Transicion: T5, Veces Transicicm: T6, Transicion: TI, Transicion: T8, Transician: l"?, Tr-ans ic ion:
479
la cuarta
condición
pal:"a
pc,der trasladar
para las cuales 1m se repite:
la tranS:lC:lon: la transicían: la t-ransicion: la transicían: la r.ransJ.cJ.on: la tranSl.C"lon: la transicl.on: la t.ransician: la t.ransician: la t.ransicion: la t.ransic:l.on: la transic:l.on: la transicion: la l:ransJ.cion:
1 1
1 1 1 1 1
O O
O O O O
[1
1;. t.::ansicl.on: O la traI1S1Clon: O O l-e. transicion: t.:!:ans1C10n: [1 1s. t.ransicion: O 15. t.ransiclon: O
1=. t.ransicion: la t.ransicion: la transicíon: la transicion: _ .:::-.::= c:'=pera la t.ransicion: ~..:= c:.:=par.-:.,la t.ransiclon: q-..:=ciispara la t.cansiCJ.on:
O
1 1 1 1 1 1 1
la a
StateflOlor
•... o
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. !'1odelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
480
~~:~sis P-Invariant :¡:::-'t:eba determina conservativ-id.ad c.~ 1'.::.. :::'.:::i :::-=-:..s. :~~i:a= él nwaero de con~inacionesd=seád~ (d~~c= 1): 5 In e~~~ prueba,
debido
a que se tienen
l~=gD =E tiene la posibilidad
La siguiente x
es solucion
in=~~~La=
de ?bcene~
~Dluciones,
se han asignado valores
o ~o :::esultedo,o resultados
aleatorias
repetidos.
de P In'.l'"ariant:
=
o
o
Desea calculo
de suma de tokens para los marcados
Marc8._MO=3, Marc8._Ml=3, Marc8._M2=3, Marca_M3=3, Marca_M9=3,
o
Marca_MI0=3,
Marca_M!l=3,
analizados?
Marca_M4=3,
o
1
o
1
(3) 8
Marc8._MS=3, Marca_M6=3,
Marc8._M7=3, Marca M8=3
Marc8._M12=3, Marca_M!3=3,
El mapa Stateflow suministrado por el programa se muestra en la siguiente pantalla:
Figura 9.33. Mapa Statefiow del Proceso_pruebal?
como lo entrega el programa
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eve tos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Figura 9.34.
481
Mapa Stateflow editado del Procesoyrueba17
El mapa de la figura 9.33 es como lo entrega el programa sf-hum_25, mientras que el mapa de la figura 9.34 es editado (organizado). Si se intenta correr este diagrama en Stateflow de Mat!ab, no va a funcionar. Para que funcione se debe adecuar y entrar las señales desde simu!ink. Esta parte se desarrolla en la siguiente sección.
9.12.5.
Proceso_pruebat2
Es un proceso en el que se parte de un punto home y hace diferentes recorridos, dependiendo de las decisiones que se tomen. La Red de Petri del proceso se presenta en la figura 9.35 y va a representar el desplaza_ miento de un móvil por distintas partes de una fábrica y en su recorrido hace diferen_ tes acciones, dependiendo de la ruta que seleccione. El punto de partida del móvil se hace desde el lugar Pl, cuyo marcado indica la disponibilidad de ese recurso. El móvil siempre hace el recorrido por los lugares P2 y P4. Luego de pasar y efectuar una acción en el lugar P4, el móvil tiene tres rutas a seleccionar disparando una de las transiciones T3, T4 o T5. Si escoge la ruta por 13, pasa al lugar PS en donde realiza acción. Si escoge la ruta disparando T4, va por el lugar P6, en donde realiza acción y luego allí tiene posibilidad de seguir por dos sub_rutas: P9 o Pl1. Si decide ir por la ruta disparando TS hace el recorrido por los lugares P7 y P10, en donde realiza nuevas acciones.
(-
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
482
Cualquiera que sea la ruta que siga, siempre llegará al lugar P1S, en donde converge desde cualquier ruta, sigue al lugar P14, llegando finalmente al punto de partida P1.
F'1
lB
Figura 9.35.
Red de Petri para el Procesoyrueba12
"'"Como se deduce¡ este es un proceso que no tiene secuencias simultáneas¡ aunque si existen 'secuencias¡ de acuerdo a la ruta seleccionada. En las siguientes pantallas se muestran algunos resultados obtenidos en el programa de Mat/ab. Inicialmente¡ se tienen los arreglos del marcado inicial los mensajes al final de la pantalla.
MO,
la matriz de incidencia y
Se presentan algunos marcados. De acuerdo a los análisis¡ la red es ordinaria, no presenta bloqueos, así que es una red vivar es conservativa, es reversible, es limitada y segura¡ así que puede ser trasladada a Stateflow.
AUTO MATIZACIÓN
9. Modelamiento
INDUSTRIAL:
483
TEORÍA Y LABORATORIO
de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
L= t~ransiciones
1"
unidad. condicion otrasladar oO 16 Red Pecei incidencia: características -1 -1 secuencias -1 O 1 de O O Ha: tiene 16 o["dinaria: a Los Stateflo1J de O O1 1no superan la poder Red inicial son: peso de para lugares lugares yPrimera paralelas Le.. l1arcado red es
o
1m -1
O aO o Oo amili2ados: a oaO O Marcados
O O
O
O a
O
l!O~
bloqueo~ No se presentan Así que la red es viva
parcialE5
ni
Deadlock
t.o'Csles:
Segunda condicion que satis.fec~ pare. trasladar La siguiente
De5e:a calculo Harca
la Red a State:flolJ.
es solucion ti: ? In·~-a=:'a.nt:
a
O
110=1._
llarc:Ei._!!9=l._
c..=
a
s".= ~ ::c,~:~:..s p~ra los marcados anali:c:ados?
~e=:::!._:!:"": •. !:~:;~_H2'"'1,
Harca_IB=!,
_ ..
(~:
s
liarcel._M4""l, Me.rc~_!:5=1.. Harca_M6-1,
~~.:-e_:!:.:-::., Entonces
•..
free
la red.
E:~
C:~é=-;5.tiva
Marca_In=l,
MarC8_U8=1
.~~-
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. odelamiento de los sistemas e E entos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
484
~.:.S.!:'Si3 T-Invariant La p~ueba anali2a
~= __
reversibil~~a~
La. =ed es reo;.Ters ib le ... así
que ct::!np!':'e...=..s. cuarta
SEcu~ncia
disparacas
de transiciones
condición
para
poder
trasladarla
a Stat.eflolJ
psrá las cuales MO se repite:
limitacion trfu"'lSicion: trar'-.sicion: transic:ion: transicían: Veces Veces "'/ec:es ~leces Veces T•• ¡reces (1T13, 11]7, Transicion: t.ransicion: transicían: transicían; red. la determina t.rensicion: Veces "Veces O transicion: dispara la seguridad dispara Ti, 2, que que 3,de T5, T6, T9, Ti0, Tii, T12, T15, T 8, 16, prueba (safeness) y(boundedness) 4, T14,
J
."'.
La siguiente
es la matri2
de marcados
Las columnas
corresponden
a los marcados
Las filas Para
son
los lugares
esta prueba
Con esta matri2 Compare
la primera
y los lw;]"aresde la red
en el orden:
In
HO
H2
Pl P2 ...
es necesario se puede
anali2ados
disponer
anali2ar
columna
del mayor
la limitacion
(HO) con
las otras
numero
posible
de marcados
de la red columnas
para este
analisis
=V para 1espoder StateflolJ limitada 1[(1 (1 1] O la a (1[1 D red segura.SatisÍace O 1] trasladarla 111] condicion quinta - Marcado segura
La
1
"
En las siguientes figuras se muestra el mapa entregado por el programa sf-hum_Ns de Matlab y el mapa editado.
AUTO MATIZACIÓN
9. Modelamiento
INDUSTRIAL:
485
TEORÍA Y LABORATORIO
de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
r'~~~:~=>:"-L:::==l~ ~ /~--j~--l
O ~
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/?~~~~-":t).:'-;:7
UL_.~__ ._..__. __ ._---"·-·'-·· Figura 9.36(A).
Figura 9.36(8).
9.13.
,
Mapa Stateflow del Procesoyrueba12
Mapa Stateflow del Procesoyrueba12
ya editado
.
Adecuacion del Mapa a la Carta Stateflow
En esta secClon se expone la metodología para hallar las equivalencias entre los elementos de una Red de Petri y una carta de estado procesada dentro del ambiente Mat/ab-Simu/ink-Stateflow (MSS) y el procedimiento que se debe seguir para que la RdP sea convertida en una carta de estado de Stateflow y pueda ser simulada en el ambiente MSS.
..
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
486
El método consiste en analizar el comportamiento de cada uno de los elementos -de una RdP (un lugar, una transición, varios arcos que convergen y divergen de una transición) y hallar equivalencia de comportamiento con los elementos de la carta de estado (un estado, una transición y uniones).
De hecho, el modelar procesos con técnicas gráficas tiene restricciones que tienen que ver con su complejidad. El manejo de gran cantidad de elementos gráficos, lleva a que el modelo resulte impráctico, sumado al costo computacional que implica su desarrollo. Entonces respecto de las limitantes de los programas desarrollados, se tiene: 1. Para la adecuación de las RdP y su análisis en Matlab, la restricción está en el número de marcados, que es de 40 como máximo. El número de lugares y transicio_ nes aparentemente no tiene restricción. El proceso que mayor número de lugares y transiciones se analizó fue de 36 lugares y 30 transiciones. Para el traslado a Statenow, el límite máximo es de 30 lugares y 30 transiciones. 2. La Red de Petri a trasladar tiene restricciones. Estas deben tener las siguientes propiedades: Ser red infinita, red ordinaria, red pura, red viva, red conservativa, red segura, red limitada y reversible. Por esto la importancia del análisis mediante el programa desarrollado en Matlab de la Red de Petri hum_RdP.m y tener en cuenta los mensajes que entrega en cada una de las pruebas. 3. Cuando se hace análisis de la carta de estados en Statenow, se detectó pérdida de sincronización en algunos ciclos, pero luego se estabiliza y evoluciona de acuerdo a lo esperado. Posiblemente se debe a la entrada de los primeros ciclos de reloj de las señales que dan evolución a los estados. Puede incidir, también, el procesador. 4. Se distingue entre el mapa del Statenow y la carta del Statenow. Con el mapa se quiere significar que es el diagrama que entrega el programa desarrollado en Matlab Cuando se refiere a la edición del mapa, significa organizar los lugares, sf-hum_iS.m. transiciones y uniones que entrega el programa sf-hum_iS.m (i=2,3) de la red en forma manual, sin suprimir ni añadir ningún elemento. Este mapa no corre en Statenow. Cuando se trata de la carta del Statef1ow, es el diagrama ya adecuado para que efectivamente corra en et ambiente de MSS. La carta del Statef10w va a diferir del mapa. Tener en cuenta que una carta de estado tiene una filosofía diferente a una Red de Petri, son métodos de modelaje completa_ mente diferentes. Entonces, en el traslado desde el mapa hasta la carta en Statef1ow, se aprecian bastantes cambios. Así que la metodología que se describe a continua_ ción detallará cómo se hace ese traslado de la mejor manera posible. Se incluyen las situaciones que resultaron al simular diferentes procesos, pero se comprende que pueden haber situaciones no contempladas o que no se presentaron en los análisis realizados.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
487
5. Se distingue también secuencia simultánea de secuencia no simultánea. La primera es conformada por una serie de estados (más de uno) que están conectados en paralelo, tienen estados compartidos, pueden tener estados gemelos y pueden evolucionar simultáneamente. La secuencia no simultánea puede ser una línea de estados encadenados uno luego de otro, o pueden ser cadenas de estados en paralelo pero que son excluyentes, es decir, no pueden evolucionar simultáneamente. 5. Necesariamente para el manejo de estos modelos, es necesario conocer del tema, sin ser experto, pero sí conocer los fundamentos de esas herramientas y conocer perfectamente el problema proceso que se quiere modelar. Su desconoci_ miento puede llevar a formular equivocadamente la RdP y equivocar la construcción de la carta de Stateflow. Para cualquier duda en la teoría de los modelos estudiados, recurrir a las explicaciones dadas a lo largo del libro o a la bibliografía dada al final del documento.
9.14.
Método y Procedimiento
;""'-
Es importante tener presente qué es lo que se busca.
Se tiene un proceso, del cual se quiere hacer un modelo conceptual para poder/o simular y obselVar su comportamiento. Elproceso está relacionado, para este trabajo, con la manufac tura y la fabricaciónque tienen característicasde control secuencia!. Los modelos con los cuales se va' á . representar el proceso son las Redes de Petri o el GRAFCET.
Entonces, conocida la RdP del problema, se adecua y analiza en Matlab y se traslada a otra metodología de modelaje como son las cartas de estado Statef/ow de Matlab. En este ambiente, el modelo del proceso problema es simulado, aprovechando el poder computa_ cional del entorno de Matlab.
::2'
Así que ya se conoce el proceso y se ha deducido su modelo conceptual basado en la Red de Petri. El
procedimiento
(primeros 9 pasos explicados anteriormente):
1. Extraer de la RdP el vector del marcado inicial MO, la matriz de incidencia. Deter_ minar si el proceso bajo análisis tiene secuencias que operan simultáneamente. Si es así, deducir la matriz de secuencia. 2. Los arreglos matriciales obtenidos en 1., trasladarlos a Excel y guardar en la carpeta wORKde Matlab con los nombres: marcado_MO-
n
matriz_incidencia-
n
matriz_secuencia s- n
Con n el número que se asigna al proceso. 3. Abrir el programa de Matlab y en el script (icono m tile) buscar la carpeta de trabajo: hum_RdP.m. Se despliega el programa que fue diseñado para adecuar las RdP a Matlab.
r-
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
488
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado J
4. Introducir en el programa el número que se asignó al archivo de Excel. Se encuen_ tra en las líneas del programa 68, 71 Y 75. El siguiente es el código: %Cambiar al numero del proceso que se quiere analizar MO=xlsread('marcado_MO-17.x1s') dispC Matriz de incidencia: ') I =xlsread('matriz_incidencia-17 .xls') [p,t]=size(I);
try sec=xlsread('matriz_secuencias-17.xls')
En el código mostrado el proceso que se analizó fue el 17 (n=17). Este es el número que se debe cambiar. Si el proceso no tiene secuencias simultáneas, escribir N como se muestra en la siguiente línea: sec=xlsread('matriz_secuencias-N
.x:ls')
5. Correr el programa. Observar los mensajes e interactuar con el programa introdu_ ciendo la información requerida. Si se ha tecleado equivocadamente algún dato o instrucción, el programa puede abortar indicando error. Será necesario iniciar. Al finalizar este programa, Matlab abre uno de los tres siguientes programas: sf-hum_25, sf-hum_3s, sf-hum_N5, dependiendo de si el proceso tiene dos secuencias, tres secuencias o ninguna secuencia simultánea, respectivamente. 6.
7. En el nuevo programa actualizar el número del proceso que se está analizando. Si se trata de un proceso con tres o dos secuencias simultáneas, ubicar las líneas 6, 7 Y 8 Y cambiar al número del proceso. El siguiente es el código en Matlab: %Aqui cambiar el numero al proceso que se desea analizar MO=xlsread('marcado_MO-17 .xls'); 1=xlsread('matriz_incidencia-17 .xls'); sec=xlsread('matriz_secuencias-17 .xls');
En el código mostrado se analizó el proceso 17 (n=17). Este es el número que se debe cambiar. Si el proceso no contiene secuencias simultáneas, entonces no aparece la última línea del código. Correr el programa. Como resultado, se despliega una ventana con el mapa del Stateflow, pero desordenado. 8.
9. Editar este diagrama, de manera que quede ordenado, pero sin quitar ni poner ningún elemento. Esta es una operación manual y de paciencia. Tratar en lo posible que la ubicación física de los estados en el gráfico coincida con la posición de los lugares de la RdP.
El siguiente método transforma el mapa en una carta de estado Stateflow, integra con simulinky el modelo queda listo para su simulación en el ambiente de Stateflow. Buscando la mejor forma para explicar esa transformación, se optó por describir diferentes casos, basado en ejemplos de procesos_prueba estudiados, ya que fue sobre esta serie de ejemplos que se desarrolló la teoría y los programas en Matlab.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
9.14.1.
489
Método para Traslado a Carta de Estado de Redes con Secuencias Simultáneas
• Considere el proceso_prueba6 analizado en el capítulo anterior. En la figura 9.37 se muestra el mapa de Statef10w (A) y la RdP (B). En el proceso de traslado se buscó la correspondencia entre los elementos de los dos modelos: cada lugar de la RdP se asoció a un estado en sr, cada transición con un lugar de entrada y uno de salida en la RdP, por ejemplo t3/ t4/ t7y tB, se asoció con una transición en sr. Cada transición que enlaza varios lugares a su entrada y salida en la RdP se asoció con una unión (junetion) en sr, por ejemplo tI, t2, ts, t6 Y t9. Con esa correspondencia entre elementos se diseñaron los programas. Los lugares Pl, P2,...,P10 pertenecen a cada una de las secuencias simultáneas y en sr tienen el mismo nombre de etiqueta. El Pll es especial porque se trata de un lugar compartido. Se distingue porque tiene varios arcos de salida, varios de entrada y es lugar marcado (generalmente igual número de arcos de entrada que de salida) y además siem_ pre presenta conflicto. Para el traslado a sr, se reemplazó por dos estados P_dis y P_ocu, para representar que el estado está disponible (activado) y el estado está ocu_ pado. Estos estados están enlazados con transiciones de dirección contraria.
(A)
Figura
9.37.
Proceso-prueba6(A)
(B)
Mapa de Statenow,
(B) Red de Petri
4 Caso 1. Estado compartido tI funcionan en la siguiente forma: Si Pl está activo y Pll está disponible la transición tI dispara, Pl desactiva, P3 se activa, Pl1_dis desactiva y Pll_ocu se activa. Pl, P2, Pll Y
Esta evolución se da como resultado de un evento, que puede ser aleatoriedad, o alguna orden externa al proceso. Entonces el traslado a carta Sf de estos elementos se realiza como indica la figura 9.38.
.-
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
el\'
[P11_d1S
~j¡í
.
\
",',
\
ini
9.38
.,\.
]
(B)
(A)
Figura
1
j
[Pl1_0Cl:
490
Conversión de la unión Uunction)
en el mapa (A) a la carta (B)
es un pulso de reloj que se configura en simu/ink (posteriormente se explica su La misma conversión se hace para la unión t2, utilizando también el
configuración). J
evento ini.
Ahora, los estados P5, P7y Pll Y la unión ts funcionan así: estando P5 activo, un evento hace que la transición ts se dispare, entonces los estados P7 y Pll_dis se activan y Pll_ocu desactiva. El traslado a carta Sf queda como se indica en la figura 9.39.
(B)
(A)
Figura
9.39. Conversión de la unión en el mapa (A) a la carta (B)
El evento para esta segunda situación se indica como in2, que es otro pulso enviado desde simu/ink. Igual conversión se hace con la unión t6, utilizando el mismo evento in2. Generalizando, para este caso, cada transición que enlaza los estados hermanos PLdis y PLocu requiere un evento.
4 Caso 2. Transición
común a dos secuencias
La transición t9 es común para las dos secuencias; al dispararse indica que las secuencias en forma simultánea han terminado. Pero tener transición común al final t
¡
de las dos secuencias implica que los estados P9 y PiO deben estar activos al tiempo. Así que para la carta sr se debe generar otro evento diferente a los anteriores que sincronizará a las dos secuencias. La carta se muestra en la figura 9.40.
! f
¡
IP7 ~-'
I 1
¡
I~ 'o-~.
,-p'-' . !_'-----(A)
Figura
(8)
9.40. Conversión de unión común (A) a carta Sf (B)
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de E en~osDiscretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
491
Con el evento in3 entre los estados P7 y P9 Y lo mismo que para los estados PB y PIO, se asegura la evolución sincronizada y los estados P9 y PIO quedan activos al mismo tiempo. Los arcos que salen de la unión t9 se dirigen al estado compartido.
4 Caso 3.
Estados sin evento asignado
Las transiciones que no quedaron con evento asignado como son t3, t4 Y las dos transiciones que se trazaron desde los estado P9 y PIO hacia el estado Pll, se les asigna un evento dado por otros pulsos que se indican como in. El mapa hasta el momento va quedando como se muestra en la figura 9.41. Se han eliminado las uniones, adicionado cuatro eventos diferentes (inl, in2, in3, in).
Figura 9.41.
4 Caso 4.
Primera vista de la carta Sf del Proceso-prueba6
Descomposición AND de las secuencias
Ahora se configuran las secuencias. Para ello se añade un estado a cada una de las secuencias y un estado al par de estados compartidos. Estos van a ser estados padre (de mayor jerarquía). La figura 9.42 ilustra el nuevo arreglo.
f'I ..
~.
\'::
Figura 9.42.
Adición de super_lugares
a la carta de la figura 9.40
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
492
Como las secuencias son simultáneas, se hace descomposición AND a los super_estados añadidos. La carta queda como ilustra la figura 9.43. Se han asignado nombres a los estados padre: seCl, SeC2, recur. Son nombres que no van a incidir, pero se deben colocar. Las transiciones que van desde los estado P9 y P10 hacia los estados compar_ tidos sólo tocan al estado padre recur.
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.....
.
'.n
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Figura 9.43.
4 Caso 5. Asignación
.
carta final Stateflowdel
Procesoyrueba6
de transiciones por defecto
(Default
Transition)
L.a carta de la figura 9.43 muestra que los estados padre tienen descomposición AND mientras que los estados hijo tienen descomposición ORo En Stateflow para evitar confusión y de acuerdo al funcionamiento de los estados con descomposición OR, se debe asignar a uno de ellos la prioridad de inicio, es decir, establecer el primer estado en quedar activo. Para el traslado desde el mapa a la carta, se tendrán en cuenta los lugares que en la Red de Petri están marcados. Estos son Pl, P2 Y Pl1. Como se observa en la carta de la figura 9.43, cada uno de estos estados está en uno de los super_estados, entonces se asigna transición por defecto
a Pl, P2 Y Pll.
4 Caso 6.
Condición para asignar secuencia que inicia operación
Dado que Pll es un estado compartido y por tanto presenta conflicto ya que tiene que escoger a la secuencia en atender; ese conflicto se resuelve en forma aleatoria (es una solución natural). Entonces se fija una variable al (akatorio) que da condición a la secuencia de acuerdo al valor de la variable. En la carta de la figura 9.43 a la transición entre los estados Pl y P3 se colocó la siguiente etiqueta: inl[al>=O.l]
Esa etiqueta tiene un evento (inl) y una condición (al>=O.l).
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eve tos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
493
En forma semejante en la transición entre los lugares P2 y P4 se colocó la etiqueta: inl[al
Cuando inicia el funcionamiento la carta Sf, se anuncia el evento inI, el Sf se despierta y evalúa las condiciones de las transiciones en donde está el evento. De acuerdo al valor aleatorio (se configura en simu/ink) la transición que cumpla la condición se dispara e inicia la evolución de la respectiva secuencia. Hay otra alternativa para colocar el aleatorio, que es etiquetando la transición por defecto.
• Ahora se analiza el Proceso_prueba3. Es semejante al Proceso_prueba2 analizado en la sección anterior, pero en este proceso se han añadido otros elementos. La RdP se muestra en la figura 9.44.
Figura 9.44.
Red de Petri del Procesoyrueba3
Contiene dos secuencias no simultáneas conformadas por los lugares: P2-P3 y P4-P5. Tres secuencias simultáneas conformadas por los lugares: P7-P8, P9-PI0 y PII-PI2. Tiene un lugar compartido PI, que atiende una de las dos secuencias no simultáneas. Tiene lugares comunes: P6-PI3-PI4. La transición T7 cuando se dispara activa las tres secuencias simultáneas. La transL ción TiI es común a las secuencias simultáneas, así que para ser disparada requiere que los lugares P8-PI0-PI2 estén activados al mismo tiempo. '.' "
El vector de marcado, matriz de incidencia y matriz de secuencias, se obtienen de la RdP de la figura 9.44. Estos arreglos y las primeras características que arroja la simula_ ción en el programa hum_RdP.m de Mat/ab se presenta en la siguiente pantalla.
Al efectuar el análisis en Matlab, la red cumple con todas las pruebas para obtener el mapa de Sf. Ese mapa se presenta en la figura 9.45, ya editado.
_.-r
Figura 9,45,
Mapa de Statefloweditado del Procesoyrueba3
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
495
El diagrama de la figura 9.45 es el mapa que entrega el programa s~hum_3S en Mat/ab, pero se han organizado los elementos, obviamente sin añadir ni quitar. Como se observó en la RdP, posee /Llgares comunes y cuando el programa transforma al mapa de Sf, genera estados gemelos en cada una de las secuencias simultáneas. Así que aparecen los estados P6_com, P13_com y P14_com. Sólo uno de esos estados está enlazado con transiciones. Observar en la RdP de la figura 9.44 el lugar P6. Tiene arcos y transiciones en su entra_ da que provienen de los lugares P3 y psy tiene arcos y transiciones en la salida que lo enlazan con los lugares P7, P9 Y Pl1. Situación semejante se tiene con los lugares comunes P13 y P14.
4
_
Caso 7. Adecuar estados comunes
El paso siguiente es generar estados padre que cubran a cada una de las secuencias simultáneas incluyendo dentro de esos super_estados a los estados gemelos. Y otro estado padre para el recurso compartido. En la figura 9.46 se presenta el cambio al mapa.
"
...
¡-
[p13_corn
l
IP14_com
)
--------~/ r-:
Figura 9.46.
Adición de estados padre al mapa de la Figura 9.45
....
A los super_estados se les asignó las etiquetas: seCl, seC2, seC3 y recur. Ahora se supri_ men las uniones, que están enlazando a los estados comunes con los estados veci_ nos. Entonces, del estado P3_noSec y PS_noSec se enlaza con transición a un estado cualquiera de los super_estados para suprimir esa unión. Para la otra unión, observar que los estados P8-PIO-P12 se enlazan a P13_com, enton_ ces se añade transición que enlace cada uno de los estados mencionados con el correspondiente estado P13_com de su secuencia.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
496
Finalmente, observe en el estado padre sec3 que P13_com y P14_com están enlazados con transición. Entonces añadir transiciones a los estados gemelos para que se tenga enlace igual. La nueva situación del mapa con los cambios anotados se muestra en la figura 9.47.
r2SU
/
-
1P2 noSec t:.;---------------~
i"ip3_nosee
t,I
sec1
sec2
Figura 9.47.
sec3
Adecuación de estados comunes
Volviendo al funcionamiento de la RdP de la figura 9.44, El lugar Pl es compartido por las dos secuencias no simultáneas, así que se presenta conflicto. La selección de la secuencia que atiende ese lugar va a decidirse aleatoriamente. Una vez dispara T1 o T4, la red evoluciona y se llega al marcado inicial (MO), luego de recorrer toda la red y disparar la transición T13. Mirando el mapa Sf de la figura 9.47, una vez el estado Pl_dis selecciona la secuencia que atiende, el estado se desactiva y se activa el estado complementario Pl_ocu y esa situación se mantiene hasta que todos los estados P14_com están activos. Esto implica que los estados padre van a tener estados activos simultáneamente. Entonces se hace descomposición AND para todos los super_estados. Por otro lado, sólo uno de los estados P2_noSee, P3_noSee, P4_noSec y P5_noSec, puede estar activo en un instante y hasta tanto no desactive P3_noSec o P5_noSec, los super_ estados sec1, sec2 y sec3 no se pueden activar. Todo lo anterior implica que todos los estados PLnoSec deben tener descomposición OR y además, se debe generar otro super_ estado que tenga mayor jerarquía que los estados padre sec1, sec2 y sec3; este nuevo super_estado debe tener descomposición ORo
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
4
497
Caso 8. Estado compartido a secuencias no simultáneas
Retomando el estado compartido, ya que el estado que representa estado ocupado va a permanecer activo todo el tiempo, hasta cuando termina de evolucionar toda la red, es necesario separarlo físicamente de su enlace con los estados PLnoSee, para que no quede involucrado dentro de las descomposiciones anotadas. Entonces lo recomendable es generar un estado de igual jerarquía que los estados PLnoSee (estado hermano) que se encargará de escoger la secuencia que atenderá y mediante eventos indicará al estado Pl, cuándo debe desactivarse y activarse. Todos los cambios anotados se aprecian en la figura 9.48.
,---- ----
'rec
.. :
.'
figura
9.48. Cartade
5tateflowdel Procesoyrueba3
El estado hermano de los PLnoSee se etiquetó como inie y se le dio prioridad de activación colocándole la transición por defecto. '..
.;
El primer evento que despierta al StatefloweS un pulso de reloj con etiqueta inl; estado inie contiene ese evento y la condición con la variable aleatoria al.
el
Una vez se anuncia el evento inl y se cumple una de las dos condiciones, el Stateflow se despierta, inicia la evolución de una de las secuencias no simultáneas, el estado compartido Pl_dis se desactiva y activa el estado Pl_oeu. Cuando el último estado de la secuencia no simultánea se desactiva, se anuncia el segundo evento in2, que activa el super_estado secpar; todas las transiciones por defecto de las secuencias simultá_ neas se disparan y se activan los estados iniciales de las secuencias.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
498
Cuando todos los estados P14_com se activan, se anuncia el tercer evento ín3 que desactiva al super_estado sec_par, desactiva el estado Pl_ocuy activa el estado Pl_dís. Así todo el proceso queda listo para una nueva evolución.
• Se analiza el proceso_prueba2Z, tiene cierta semejanza con el proceso_prueba6, pero difiere en que el lugar compartido es requerido por cuatro lugares. La RdP se muestra en la figura 9.49.
Figura 9.49.
Red de Petri del Proceso-prueba22
Como se observa, tiene dos secuencias simultáneas formadas por los lugares Pl-P2-P3P4-P5y P6-P7-PB-P9-P10, lugares comunes Pll-P12 y el lugar compartido P13 es requerido por los lugares Pl-P6y P4-P9. La información preliminar que arroja el programa hum_RdP.m de Mat/ab se muestra en la siguiente pantalla. Las caracteristicas de Marcado inicial Mo:
la Red son:
MO =
1
o
o
o
o
1
o
D
o
1]
D
o
1
O 1OO1 O 1 -1 -1 -1 O 1
-1 O
O 1 -1 O AUTOMATIZACIÓN
stado
1
=
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO .•."-
de incidencia:
el mapa Sf ya editado se muestra en la figura 9.50.
Figura 9.50
, ..
499
-11 Matriz
y
O O
Mapa Sf editado del ProcesoJ}rueba22
Para el estado compartido P13 se tiene el estado P13_dis y se generan dos estados hermanos etiquetados como P13_ocul y P13_ocu2; cuando estén activos indicarán que el estado compartido está atendiendo uno de los estados Pl-P60 P4-P9.
4
Caso 9. Estado compartido por cuatro estados
Considerando la conclusión dada para el caso 1 para estados compartidos, cada tran_ sición que enlaza los estados PLdis y PLocu requiere de un evento externo, entonces para este caso, se requieren cuatro eventos distintos.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Efectivamente esto se observa en la carta Statenow del proceso_prueba22 muestra en la figura 9.51.
sec1
500
que se
sec2
Figura 9.51.
Mapa
Sf para el Proceso-prueba
22
El primer evento inl permite que la transición que enlaza los estados PI-P2 o P6-P7 evolucione. Esto hace que· el estado Pl3_dis se desactive y active su hermano Pl3_ocul.
Cuando se produce el evento in2, se habilita nuevamente el estado Pl3_dis y deshabilita Pl3_ocul. En el siguiente evento in3, cuando la transición entre los estados P4-PS o P9PIO se valida, el estado PI3 es requerido nuevamente, así que Pl3_dis desactiva yactL va el estado hermano PI3_ocu2. y por último, con el evento in4, se vuelve a la situa_ ción inicial, con el estado Pl3_dis activo. Se generaliza el caso 9 a estado compartido por más de cuatro estados, añadiendo por cada par de estados adicionales un estado auxiliar PLocuj, en donde i es el núme_ ro del estado cómpartido y j es el número de estados_pareja a compartir. Por ejemplo si el estado compartido es P=10 y comparte con 8 estados (4 pares, i=10, j=4) entonces se tiene el estado PIO_dis y cuatro estados PIO_ocul, PIO_ocu2, PIO_ocu3 y PIO_ocu4. Además, se deben configurar 8 eventos distintos.
• Para finalizar los casos posibles para redes con secuencias simultáneas, se presen_ ta el traslado del mapa a carta de Statenow del Proceso_prueba16. El mapa del proceso se presenta en la figura 9.521 que se obtuvo del programa sf-hum_2S Y que ya está editado.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Figura 9.52.
501
Mapa Sf del Procesoyrueba16
Contiene estados compartidos, estados que no son de secuencia simultánea, estados que pertenecen a secuencias simultáneas y estados comunes. Aplicando todos los casos mencionados anteriormente, se puede llegar a una carta de Statef10w funcional como se muestra en la figura 9.53.
proceso16
~-------~~ r se,_uni':" ',.
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s"
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1·,,··~··~·.·-¡P4_nose, I '"__ •••,(p;_nose, ) • 1'•• ._ •••••••••• -----
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Figura
9.53. Cartade Statellowdel
Procesoyrueba16
502
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
En total se van a manejar ocho señales de reloj (8 eventos diferentes), siete de las cuales (in1 a in7) son deducidas a partir de todos los estados compartidos y la octava (in) proporciona los pulsos de reloj necesarios para sincronizar el proceso con todas las señales y para disparar los eventos no relacionados con los estados compartidos.
"
\.
Se han separado en bloques los distintos grupos de estados, así: el primer bloque lo conforman los estados que forman la secuencia no simultánea; se asignó a este bloque la etiqueta secuníca. Todos los bloques de estados compartidos están etique_ tados como recur; donde í va de 1 a 4. Las secuencias simultáneas se han etiquetado como seCl y seC2; incluyen a los estados gemelos Pi8_com. Todos estos bloques tienen descomposición ANO. Se añade la variable aleatoria al, para que el estado compartido secuencia simultánea.
P8~dís
seleccione
El elemento que no aparece en el mapa original es el estado con etiqueta íníc que permite separar el estado compartido Pi_dís de la secuencia no simultánea (caso 8).
9.14.2. Método para Traslado a Stateflow para redes con Secuencias No Simultáneas Como se anotó, son redes que tienen varios estados pero no forman secu_ encias que puedan evolucionar simultáneamente.
4
Caso 10. Traslado de mapa a carta de Statef/owcon redes no Secuencia les
• Como ejemplo para analizar este caso se toma el Proceso_prueba12 que ya se explicó. El mapa sfobtenido y editado se muestra en la figura 9.54. Como se observa, no hay secuencias definidas así que, a diferencia de las redes con secuencias, para el traslado a la carta de Stateflow se deja idéntico como se tiene el mapa y lo que se adiciona son los eventos qué permitirán evolucionar a la red. Entonces para asignar esos eventos¡ tener en cuenta los siguientes aspectos que son deducidos del mapa:
4
Caso 10.1. La red sólo tiene un estado inicial. Determinar ese estado y adicio_
narle una transición por defecto (default transítíon). Entonces¡ un único estado de todos los que conforman la red es el que inicia la evolución.
4
Caso 10.2. Si el estado tiene dos o más transiciones que salen (estado de origen)
fijar a cada transición un evento diferente.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Figura 9.54.
4
Mapa
de 5tateflowdel
503
Proceso..JJrueba12
Caso 10.3. Para el caso anterior, un estado que tiene dos transiciones origen,
por reglas del Stateflow se puede asignar evento a una de ellas y a la otra no. Cuando a decidir cuál transición disparar, evalúa cuál tiene evento y la dispa_ el Stateflowentra ra. Si en ese instante no sucede el evento, entonces dispara la transición que no tiene evento asignado.
4
Caso lOA. Si una unión tiene más de dos transiciones que salen, asignar a cada una de ellas un evento diferente.
4
Caso 10.5. Los eventos pueden ser pulsos de reloj obtenidos desde simu/ink o variable aleatoria dada como condición con rango de valor asignado a cada transL ción. La figura 9.54 muestra el mapa del proceso analizado y se han etiquetado las unio_ nes. En la figura 9.55 está la carta de Stateflow, con los eventos asignados. El estado que inicia la evolución de la red es PI, así que tiene asignado la transición por defecto. El estado P9, por ejemplo, tiene dos transiciones origen, luego se ha asignado a ella los eventos inl-in?, lo mismo que a los estado P4y Pll. El estado P8 tiene tres transiciones origen y sólo a dos de ellas se le asignó evento (inlin3). La transición que no tiene asignado evento disparará si, estando activado el esta_ do P9, no se dan los eventos ini-in3. La unión jl tiene tres transiciones que salen entonces se les asigna condiciones dadas aleatoriamente. Estas son: [aI<0.33], [al>O.33 & al=O.66]. Pero también se les puede haber asignado eventos con pulsos de reloj.
..~
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Figura 9.55
504
Carta 5tateflowdel Procesoyrueba12
En estas dos partes finales del capítulo, se describe el método para configurar datos, eventos, su enlace con simulink así como la configuración de los pulsos de reloj en este ambiente. No se pretende hacer una descripción profunda de la herramienta de Matlab simulink. Sólo interesa configurar los generadores necesarios para que los procesos analizados sean simulados y se pueda mostrar la validez de toda la metodología desarrollada. Un estudio a fondo va por cuenta del lector que desee utilizar el poder de simulación de Matlab.
9.14.3. Procedimiento para Configurar Datos y Eventos De acuerdo al proceso, ya se han definido los eventos, su número y los datos. Los eventos se han llamado como inl/ in2, ... y el evento in que referencia a todos los otros" eventos. Como datos sólo está el aleatorio con etiqueta al. Estos nombres son arbitrarios, pero así se han utilizado para todos los análisis. El orden de ejecución para introducir esta información es el siguiente 1. En la siguiente gráfica, ya está en el ambiente de Stateflow, en el menú superior (1) escoge con puntero tool (2), despliega ventana y selecciona explore (3).
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
505
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
F~e_Edil ~ion
VIeW Tools Add ~_
•• o} ~;r¡ Iá' 1d~'-l,_l\lo_~L~._.~_¡.!._."_".¡
(1)
g~I
(2)
'I¡
f-'---' ¡
Debug...
an.G
Fm...
Orl+F
$ee.rch8 Repltlce...
ctr14.;
(3)
Parse
Se despliega la ventana (4). Hay dos iconos para dato y evento. Pica icono evento (5) y en el espacio Name escribe el nombre que se asigna¡ por ejemplo ini.
(4)
~
f
i--~-.-x::¡-:.
i--~:e- ••
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Contem
~S~ •.Root -fi:.B~~W~~
~it: o =" @'
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Oatllll N~*.-~-.---paiert. __:'. -: -
~
I:::t:~.«r St~¡.
·i=F=''':m''::,.,·
"oo«.
(6)
En el campo scope (6) despliega un sub_menú. Selecciona: Input from Simu/ink. Automáticamente asigna el puerto al que se va a conectar ini. Observe en (7) el campo port. A la derecha esta el campo de trigger (7) que permite seleccionar el flanco del pulso generado permitiendo las siguientes opciones: ambos flancos (Either)¡ flanco de subida (Rising) o flanco de bajada (Fa//ing). Generalmente por defecto asigna ambos flancos. ~1_~r.t¡,~_~,_~
~nkR~-1eI~~
~_~J~¡L~_~L~r~J1:~:.J..!_~~ ~.-ª.
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Search
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos; Redes de Petri y Cartas de Estado
506
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Para el dato aleatorio, se configura picando el icono Data, colocando en Name el nom_ bre de ese dato: aly en Scope se escoge: input (9).
9.14.4. Procedimiento para Configurar señales en Simulink Ahora se configuran los pulsos de reloj. Volviendo a la ventana de Stateflow (10) en el campo superior de los iconos hay una flecha apuntando hacia arriba que al habilitarla pasa al ambiente de simulink. Al picarla despliega la ventana (11).
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
507
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
En la parte superior derecha de la ventana hay un icono que lleva a la librería de simu/ink, al picar despliega la ventana (13). 8
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Interesa inicialmente la librería de fuentes (Sources). Al habilitarla, se despliega la ventana con los elementos que contiene esta librería. Se han encerrado tres de estos elementos: Signal Builder, Random Number y Uniform Random Number. Con el primer elemento, se configuran todos los eventos y con uno de los números aleatorios, se configura el generador de aleatorios al. 1..•.
Se arrastran los·teonos de estos elementos a la ventana de simulink (12). Como se deben generar tren de pulsos para varios eventos, es necesario enlazarlos con un multiplexor (mux), que se obtiene en la librería Signa/ Routing. Con estos elementos, colocados en simulink, se inicia su configuración. De la configuración de los pulsos que simulan los eventos va a permitir que la red evolucione de acuerdo a lo esperado. Entonces ajustar los pulsos de reloj va a depender del proceso bajo análisis, así que se analiza la configuración de estos relojes para algunos de los procesos analizados. Considerar el proceso_prueba6 analizado anteriormente. La carta
Stateflow
se muestra
en la figura 6.20.
Para que la red evolucione, requiere que se presenten los secuencia: in-in1-in-in2-in-in-- in-in 1-in-in2-in-in-- ...
eventos
con la siguiente
Las dos líneas en la secuencia (--) significa que un ciclo termina y los puntos suspensivos C ... ) que el ciclo se repite.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
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508
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Figura 9.56.
Figura 9.57.
Carta Statenowdel Procesoyrueba6
Ventana de simulink para el Procesoyrueba6
La figura 9.57 es la ventana de simulink en donde está el generador de eventos Signal Builder, el generador de aleatorios (Random Number) . ..•.
Dando doble clic al generador pulsos de reloj, se muestra en la figura 9.58 la disposi_ ción de los pulsos de reloj para generar la secuencia de eventos ya anotada.
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AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y lABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
509
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16. Su carta Para finalizar, se deduce la secuencia de evento para el Proceso_prueba Stateflow se muestra en la figura 9.59. Del funcionamiento de la red se deduce la secuencia de eventos que deben sucederse. Un ciclo lo conforma la siguiente secuen_ cia: in-in l-in2-in-in-in3-in4-in 1-(in2-inS)-(in4-in6)-in 7-in-- ... Los eventos que están entre paréntesis significan que suceden simultáneamente .
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Carta 5tateflowdel Procesoyrueba16
La figura 9.60 es la ventana de símulínk conteniendo el bloque de carta Stateflow, el . generador de eventos y el generador de aleatorios.
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Figura 9.60
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Ventana de simulinkdel Procesoyrueba16
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
510
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Figura 9.61.
Ciclos de reloj generados por el signa/ Bui/derpara
el Procesoyrueba16
Ejercicio 9.1 1.
El vector de marcado MO y la matriz de incidencia de una RdP son:
Marcado HO
inicial Ha:
=
'-'o
o
o
o
o
= incidencia: -1 O -1 -11 O O 1de O Hacriz
1
-1
1
Hatriz de Secuencias: La Red de Petri no tiene secuencias Contiene
paralelas
6 lugares y 5 transiciones
1.1. Deduzca la Red de Petri correspondiente. 1.2.. Efectúe el análisis para determinar propiedades de la red, utilizando el programa en Mat/ab.
2.
Deduzca la carta 5tateflowdel
Proceso_prueba2. y configure los pulsos de los eventos.
3.
Deduzca la carta 5tateflowdel
Proceso_prueba4 y configure los pulsos de los eventos.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO
511
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redesde Petri y Cartas de Estado
.'
4.
La figura 9.62 presenta la RdP del Proceso_prueba7.
(:) P'I(
!'l:ü 1
P2
I 'í'
T3
Figura 9.62.
1"6
Red de Petri del Procesoyrueba7
4.1. Efectuar el análisis de la red en el programa de Mat/ab, trazar el mapa y la carta de Stateflow. 4.2. Suprima una marca al lugar P8, efectúe el análisis de la red en Mat/ab. ¿Sí funciona? Trazar el mapa y la carta Stateflowde la red
5.
La figura 9.63 corresponde a la Red de Petri del Proceso_prueba8
Figura 9.63.
Red de Petri del Procesoyrueba8
Efectúe el análisis de la red en Mat/ab. Trace el mapa y la carta de Stateflow.
6.
Al proceso anterior se añade el lugar P13. Esta nueva red de Petri corresponde prueba9. La red se muestra en la figura 9.64.
6.1. Asocie esta red a un proceso industrial (proponga un enunciado del problema). 6.2. Efectúe el análisis de la red en Mat/ab y deduzca el mapa y la carta de Stateflow.
al Proceso_
AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redesde Petri y Cartas de Estado
\
512
6.3. Desde el punto de vista real, que parte del proceso puede representar el lugar Pl3?
Figura 9.64.
7.
Red de Petri del Proceso-prueba9
La figura 9.65 muestra la red de Petri del Proceso_prueba 10
Figura 9.65.
Red de Petri del Proceso-pruebalO
7.1. Asocie esta red a un proceso industrial (proponga un enunciado del problema). 7.2. Efectúe el análisis de la red en Mat/ab. Al desarrollar, se encuentra que la red presenta bloqueos. 7.3. Determine la secuencia de transiciones para las que la red presenta bloqueos. 7.4. A la red analizada se le adicionan los lugares P22, P23 Y P24 como muestra la figura 9.66, de manera que se eliminan los bloqueos. Esta red corresponde al Proceso_pruebal1.
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
Figura 9.66.
513
Red de Petri del Proceso-prueball
Efectúe el análisis de la nueva red y deduzca el mapa y la carta Statef/ow. Dentro del proceso real, ¿qué pueden representar los lugares adicionados?
8.
La figura 9.67 corresponde a la red de Petri del Proceso_pruebal3
Figura 9.67.
Red de Petri del Proceso_pruebal3
8.1. Asocie la red a un proceso real industrial.
AUTO MATIZACIÓN
,
. \.
9.
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
514
Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
8.2. Efectúe el análisis de la red en Matlab y obtenga el mapa y la carta Statef1ow.
9.
La siguiente es la red de Petri de algún proceso industrial. Corresponde al Proceso_prueba14
'.
Figura 9.68.
Red de Petri del Proceso_prueba14
9.1. Asocie la red a algún proceso industrial. 9.2. Efectúe el análisis de la red en Matlab y determine sus propiedades.
10. A la red de Petri del Proceso_prueba1? determinó el mapa, trazar la carta Statef1ow. 11.
que se encuentra en la figura 9.32, al que se analizó y
La red de Petri del Proceso_prueba18 que se muestra en la figura 9.69:
Figura 9.69.
Red de Petri del ProcesoJJrueba18
11.1. Asociar al modelo un proceso real industrial.
AUTO MATIZACIÓN
9.
INDUSTRIAL:
TEORÍA
Modelamiento de los sistemas de EVffI"
Y LABORATORIO
515
Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
11.2. Efectuar el análisis de la red en Matfab y obtener el mapa y la carta Statef10w.
12.
La red de Petri de la figura 9.70 corresponde al Proceso_prueba20.
Figura 9.70.
Red de Petri del Proceso-J}rueba20
12.1. Asocie el modelo a algún proceso industrial real. 12.2. Analice la red en Matlab y obtenga la carta Statef10w.
13.
La figura 9.71 ilustra la red de Petri de algún proceso industrial (Proceso_prueba21).
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Figura 9.71.
Red de Petri del Proceso-J}rueba21
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AUTO MATIZACIÓN
INDUSTRIAL:
TEORÍA Y LABORATORIO
516
9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redesde Petri y Cartas de Estado 13.1. Asocie el modelo a algún proceso industrial real. 13.2. Realice el análisis de la red y obtenga el mapa y la carta Stateflow.
14.
La figura 9.72 corresponde a la red de Petri de algún proceso industrial (Proceso_prueba26).
Figura 9.72.
Red de Petri del Proceso-prueba26
14.1. Asocie el modelo de la figura 9.72 con algún proceso real industria. 14.2. Analice las propiedades de la red y determine la carta Stateflow.
15. Invente un proceso industrial, obtenga la red de Petri y efectúe el análisis para obtener la carta de Stateflow. Efectúe la simulación. 16. El proceso que fue desarrollado en el laboratorio del GRAFCET,haga la transformación a Red de Petri y efectúe el análisis para obtener la carta de Stateflow. No olvidar tener en cuenta las restricciones del programa en Matlab. 17. Para la red de Petri de la figura 9.68 no es posible obtener el mapa ni la carta Stateflow, puesto que el número de lugares supera el máximo permitido por el programa. ¿Qué sugiere para poder realizar el traslado a Stateflow? 18. Otra Iimitante con el programa desarrollado en Matlab es que el número de lugares debe ser mayor o igual que el número de transiciones de la red. Si la red no cumple con esta restricción, se presenta un error al correr el programa. Sugiera cómo se puede superar esta Iimitante. 19.
Proponga mejoras al programa desarrollado por el autor en Matlab, por ejemplo en su capacidad de estados, la presentación de resultados, posibles animaciones, evitar abortar el programa al entrar datos equivocados, etc.
20. Se dispone de otra metodología basada en las Redes de Petri de alto nivel, con el poder de modelar procesos muy complejos. Estas son las Redes de Petri Coloreadas. Consulte en qué consisten estas redes, cómo es su filosofía de modelamiento, qué características de procesos pueden modelar y la literatura y software de simulación que se encuentra en la red.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
517
9.15. Conclusiones Las dos metodologías estudiadas, permiten simular sistemas de eventos discretos DES, ya que ellas poseen las propiedades de esos sistemas. En general: • Las Redes de Petrí son una herramienta adecuada para modelar procesos, con características de eventos discretos. Sin embargo, se puede pensar en ampliar esta metodología a los sistemas continuos y al campo de la inteligencia artificial. En cuanto al Statef/ow, es una herramienta poco utilizada. Al igual que con las Redes de Petri, las cartas de estado pueden manejar procesos discretos, pero la potencia de Matlab, permite integrar estas cartas a procesos continuos, o incluso de tiempo discreto. En esto radica el poder de Statef/ow, por formar parte de Matlab. •
• La simulación de un proceso en Statef/ow resulta interesante porque fácilmente se pueden cambiar las condiciones de funcionamiento de la red que lo modela, cambiando los pulsos de reloj que controla los eventos. • El manejo gráfico es bastante atractivo, pero tiene limitaciones. Procesos de cierta complejidad resultan inmanejables. Por ejemplo procesos con 40 o más lugares y otro tanto de transiciones se vuelve muy enredado. Es por esto que se recurre al uso de las Redes de Petrí de alto nivelo RdP coloreadas (CPN). • Para popularizar el programa, puede haber limitación, considerando que Matlab es un programa muy costoso, así que sería interesante migrar a software libre como Octave o Scilab. Esta es también propuesta para trabajos futuros. • También es interesante respecto de las Redes de Petri, la gran cantidad de trabajos encontrados en red. En la búsqueda de información, es abundante la cantL dad de tesis, especialmente de postgrado y papers desarrollados sobre el tema, además porque son muy actuales. Este aspecto es importante porque no se va a la deriva si se quiere aprender o profundizar en estas redes. • El programa desarrollado en Matlab, para trasladar la Red de Petri a Statef/ow, es bastante limitado en su capacidad del número de estados (5tate). Pero realmente, parte de esta limitación viene nuevamente del manejo gráfico. Procesos complejos, implican gran cantidad de estados, así que el seguimiento de todo el montaje en la pantalla, resultá difícil y esto puede llevar a generar errores en el montaje. Con respecto a los resultados de los procesos analizados se puede concluir: • Es importante identificar el comportamiento de los lugares o tokens de la red: cuándo el lugar forma parte de una secuencia, o es un lugar compartido o común, o si no está en una secuencia simultánea.
AUTO MATIZACIÓN INDUSTRIAL: TEORÍA Y LABORATORIO 9. Modelamiento de los sistemas de Eventos Discretos: Redes de Petri y Cartas de Estado
518
• Establecer el peso de los arcos. En el código desarrollado hum_RdP.m, se puede (arcos con peso diferente de uno), pero no hacer el análisis de una Red de Petrigeneralizada permite que se traslade a carta de estado de Statef1ow. • El número de marcas de los lugares. Para el código hum_RdP.m no hay límite en el número de marcas que pueda tener un lugar, se analiza sin ningún problema, pero no se permite pasar a Statef1ow.
,
• En todos los procesos analizados, la característica de conservatividad se cum_ plió. Esto significa que todos los marcados que se analizan automática mente son alcanzables. Si en algún marcado, se introduce manualmente un marcado no alcan_ zable, la conservatividad no se cumple, así que no es posible trasladar a Statef1ow. En esta situación, es necesario revisar el marcado que se introdujo y verificar si hay error en alguna de las marcas introducidas y volver a correr el programa para asegurar la conservatividad. • La edición del mapa de Statef10w es una operación mecánica y que requiere paciencia, especialmente cuando la red es muy compleja. Es necesario efectuar esta edición para poder acomodar los distintos elementos. Se recomienda que la posición de los estados sea semejante a la posición de los lugares de la RdP que se traslada. • Una vez se tenga la carta de estado en el ambiente MSS, se deben establecer los distintos eventos de manera que se pueda configurar el reloj que los genera. De estos pulsos va a depender que la carta de estado responda en forma semejante que la Red de Petri.
• Hay problema con la simulación de la carta de estado en el ambiente MSS, en especial cuando se manejan aleatorios. Tener en cuenta que a cada pulso de reloj, el aleatorio cambia, así que se llega a la situación que un estado compartido, que posee confusión, puede activar estados simultáneamente. Esto no es posible. Se recomien_ da manejar la edición del generador de aleatorios, en lo que tiene que ver con el tiempo de respuesta sample time, el cual se debe dejar con valor mayor que cero (valor por defecto).
• Cuando se realiza la simulación en el programa hum_RdP.m, si equivocadamente el usuario introduce dato o comando (tecla) incorrecta, el programa aborta indicando error. Finalmente, queda el reto de emprender el estudio de las redes de Petri de alto nivel conocidas como Redes de Petri coloreadas. Esta alternativa permite el modela_ miento de procesos muy complejos, que no son posibles con las redes de Petri ordinarias. En la Universidad de Aarhus, se desarrolló un software para modelar esas redes, el cual es libre. Consultar la siguiente página para información de las herra_ mientas de software de estas redes. http://www.daimi.au.dk!designCPN/
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