UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA DPTO. DE SISTEMAS Y AUTOMATICA AUTOMATIZACION INDUSTRIAL I
Ander J. Miranda
Automatización De Procesos Industriales Usando Autómatas Programables
Ander J. Miranda
1
AUTOMATISMO Conjunto de dispositivos eléctricos, electrónicos, neumáticos, etc., capaz de controlar en forma automática, el funcionamiento de una máquina o proceso.
NECESIDADES DE UN AUTOMATISMO Realizar operaciones que son imposibles manualmente tales como: • Velocidad en la reacción del sistema • Alcanzar mejor precisión • Resolver sistemas complejos Ander J. Miranda
ESQUEMA GENERAL DE UN AUTOMATISMO
Ander J. Miranda
2
OPCIONES TECNOLOGICAS Tipo
Familia tecnológica
Subfamilias
especificas
Relés Electromagnéticos Lógica Cableada
Eléctrica Electrónica
Electroneumática Electrohidráulica Electrónica estática Sistemas
Lógica Programada
Electrónica
Microordenadores Informáticos Miniordenadores Microsistemas Universales Autómatas programables Ander J. Miranda
FASES DE UN AUTOMATISMO Estudio previo
Estudio Técnicoeconómico
Decisión Final
Ander J. Miranda
3
SUSTITUCIÓN DEL LÓGICA CABLEADA POR UN PLC
Ander J. Miranda
CAPACIDADES DE UNA INSTALACION CON AUTOMATAS
Ander J. Miranda
4
AUTOMATAS PROGRAMABLES Se entiende por controlador lógico programable (PLC), o Autómata programable, a toda máquina electrónica programable, diseñada para controlar, en tiempo real y en medios industriales, procesos secuénciales. • Su manejo y programación lo puede realizar un personal eléctrico o electrónico, sin amplios conocimientos de informática. • Realiza funciones lógicas, and, or, temporizados, conteo, etc. • La tarea del usuario se reduce a realizar el programa. Ander J. Miranda
AUTOMATAS PROGRAMABLES Primer PLC, fue creado en el año 1968, por la división de ingeniería HYDRAMATIC de GM.
Objetivos y especificaciones • Eliminar los altos costos asociados a los sistemas inflexibles controlador por relés. • Precio competitivo en comparación a los relés. • Soportar medios industriales. • Interfases de entrada y salida de fácil sustitución. • Diseño modular, facilitando su reemplazo o sustitución. • Facilidad de comunicación con un sistema central. • La programación debe ser lo más fácil posible. Ander J. Miranda
5
CONTROLADORES DE HOY EN DIA En los controladores actuales se han incorporado varios adelantos tecnológicos, como son: • • • •
Tiempos de procesamientos muy rápidos. Tamaños muy pequeños y bajo costo. Altas densidades para los sistemas de entradas/salidas. Interfases E/S inteligentes a base de microprocesadores, como PID, comunicación, posicionamiento, etc. • Comunicación directa con computadores. • Desarrollo de sistemas supervisorios y análisis de datos. • Modos de programación gráficos, mas sencillos. Ander J. Miranda
EVOLUCIÓN DE LOS AUTOMATAS PROGRAMABLES • • • •
Sustitución de la memoria RAM por EPROM y EEPROM. Comunicación con PC. Uso de microprocesadores de 16 y 32 bits. Incremento de prestaciones, como autodiagnóstico y autoverificación. • Mejoras en la visualización de programas y procesos. • Perfeccionamiento de redes locales – Uso de redes ETHERNET, de par trenzado y de fibra óptica.
Ander J. Miranda
6
VENTAJAS DEL PLC • Menor tiempo empleado en la elaboración del proyecto debido a que: • No se requiere dibujar el esquema de contactos. • No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas. • Las listas de materiales se reducen considerablemente.
• • • • • • •
Se puede modificar el proceso sin cambiar el cableado. Mínimo espacio de ocupación. Menor costo de mano de obra en la instalación. Economía de mantenimiento. Posibilidad de manejar varios procesos con un PLC. Se reduce el tiempo de cableado (puesta en marcha). Al quedar el proceso fuera de servicio el PLC, puede ser reutilizado. Ander J. Miranda
DESVENTAJAS DEL PLC
• Hace falta un programador o software para programación. • Se requiere adiestrar al personal para tal sentido. • El costo inicial, generalmente, es elevado y puede ser un inconveniente.
Ander J. Miranda
7
Estructura Externa de los Automatas Programables • Automatas Compactos o de estructura compacta.
Automatas Modulares o de estructura modular.
Ander J. Miranda
TAMAÑO DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES • Gama baja: Máximo 128 E/S. – La memoria del usuario tiene un máximo de 4K.
• Gama media: De 128 a 512 E/S. – La memoria del usuario tiene un máximo de 16K.
• Gama alta: Mas de 512 E/S. – La memoria del usuario puede superar los 100K.
Ander J. Miranda
8
ESTRUCTURA DE LOS AUTOMATAS PROGRAMABLES Unidad de programación • Fija o enchufable directamente al autómata. • Enchufable mediante cable y conector. • Posibilidad de ambas conexiones. Software de programación. • Actualmente, entorno gráfico (Windows). • Conexión al PC, directa por cable serial. • Conexión por medio de cable y un driver a través del puerto serial.
Ander J. Miranda
ESTRUCTURA INTERNA Y PERIFERICOS DEL PLC
FUENTE ALIMENTACIÓN
S E N S O R E S
D I S P O S I T I V O S
D E E N T R A D A
FUENTE ALIMENTACIÓN
UNIDAD DE ALIMENTACION PLC UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO (CPU) INTERFAZ O INTERFACES
CONSOLA DE PROGRAMACIÓN
D I S P O S I T I V O S
DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS
D E S A L I D A
A C T U A D O R E S
Fuente de alimentación 120Vac 220Vac Ander24Vdc J. Miranda
9
ARQUITECTURA DEL PLC
Ander J. Miranda
TECNOLOGIAS DE MEMORIA TIPO
PROGRAMACION
BORRADO
FALLA DE TENSION
RAM
ELECTRICA
ELECTRICO
SE BORRA
ROM
DURANTE SU FABRICACION
IMPOSIBLE
SE MANTIENE
PROM
ELECTRICA
IMPOSIBLE
SE MANTIENE
EPROM
ELECTRICA
EEPROM
ELECTRICA
LUZ SE ULTRAVIOLETA MANTIENE ELECTRICO
SE MANTIENE
Ander J. Miranda
10
ESTRUCTURA DE LA MEMORIA
Ander J. Miranda
ESTRUCTURA DE LA MEMORIA • La memoria de un PLC esta formada por palabras de 2bytes (16bits). • Cada posición de memoria tiene 16b de información. • Cada palabra define una instrucción o dato numérico o un grupo de estados de E/S. • La cantidad de memoria de un PLC se expresa en K de memoria (1K=1024).
Ander J. Miranda
11
ESTRUCTURA DE LA MEMORIA • 1K de memoria se refiere a 1024 posiciones en la memoria, esto es:. 1bit 2bits 3bits . . . . . . . 1024bits
1byte 2bytes 3bytes . . . . . . . 1024bytes
1word 2words 3words . . . . . . . 1024words
Ander J. Miranda
FUNCIONES DEL CPU • El µP accesa la memoria para realizar las funciones ejecutivas • Ejecuta las instrucciones del software particular del PLC (dif. en cada fabricante). • Los software de para cada PLC, en general, contienen: – Supervisión y control del tiempo del ciclo (WATCHDOG), tablas de datos, alimentación, batería, etc. – Autodiagnóstico en el arranque y durante la ejecución del programa. – Inicio de la exploración de programa. – Generación del ciclo base de tiempo. – Comunicación con los periféricos y unidad de programación. – Hasta que el sistema no ejecute todas las acciones necesarias no se inicia el programa del usuario. Ander J. Miranda
12
CICLO DE TRABAJO
Ander J. Miranda
TIEMPO DE SCAN • Es el tiempo que le toma al PLC ejecutar el ciclo de trabajo. • Depende de: – La cantidad de memoria del programa de control. – El tipo de instrucciones usadas.
• Varia entre 1mS y 100mS. • Los fabricantes los especifican en función de la memoria usada (10mS/1K de memoria programada). • El empleo de unidades remotas de E/S aumenta el tiempo de scan.
Ander J. Miranda
13
CONSIDERACION DEL TIEMPO DE SCAN DE UN PLC Las piezas pasan a razón de 100 piezas por segundo. ¿Cuanto tiempo tiene el PLC para ver una pieza?
Ander J. Miranda
MÓDULOS DE ENTRADA • De acuerdo a la tensión. – Libres de tensión. – A corriente continua. – A corriente alterna.
• De acuerdo al tipo de señal que reciben. – Analógicas. – Digitales.
Ander J. Miranda
14
ENTRADAS ANALÓGICAS • Convierten la señal analógica a un código binario con un DAC. • Se emplean para medir tensión, temperatura, PH, nivel, caudal, etc. Rango
Resolución Tiempo de conversión
Precisión
0..10v
8b
1mS
±(1%+1BIT)
4..20mA
8b
1mS
En entradas
0..10v
12b
1mS
± 1%
4..20mA
12b
1mS
En salidas Ander J. Miranda
ENTRADAS DIGITALES • Son las mas usadas. • Emplean señales de tipo ON/OFF, con niveles predeterminados de tensión. • Los dispositivos de entradas y sus interfases pueden ser: DISPOSITIVOS DE CAMPO
INTERFASE DE ENTRADAS
SWITCHES SELECTORES
24 VOLTIOS AC/DC
PULSADORES
48 VOLTIOS AC/DC
CELDAS FOTOELECTRICAS
120 VOLTIOS AC/DC
FINALES DE CARRERA
230 VOLTIOS AC/DC
SWITCHES DE PROXIMIDAD
NIVEL TTL
SWITCHES DE NIVEL
NO VOLTAJE
CONTACTOS PARA ARRANQUE DE MOTORES
ENTRADAS AISLADAS
CONTACTOS DE RELE
5-50 VOLTIOS AC/DC (SINK-SOURCE)
THUMBWHEEL SWIYCHES
Ander J. Miranda
15
Módulo de entrada AC/DC
E N T R A D A
F I L T R O
N S I E D N V E E A L L
A I S L A D O R
P R O C E S A D O R
Ander J. Miranda
Modulo de entrada AC/DC Etapa rectificadora. Filtrado de ruido. Detección de nivel de la señal Aislamiento óptico
Señal De Entrada
Al Procesador
R3
• • • •
Acoplamiento Óptico Ander J. Miranda
16
Conexión de Entradas L1
L2 +
Fuente de poder DC
-
1 1
2 2
3 3
4
4
C
C
Ander J. Miranda
Modulo de Entrada DC • • • •
No tienen puente rectificador. Rango de voltaje entre 5V y 30V. ON si Voltaje aplicado es un 40% del Voltaje nominal OFF si Voltaje aplicado esta por debajo de un 20% del voltaje DC de referencia. • Si entrega corriente se dice que es una fuente (sourcing) • Si recibe corriente se dice que es un drenaje (sinking). • Dispositivos de campo tipo fuente y modulos de PLC tipo drenaje LED
R1 E N T R A D A
D1
R3
C P U
R2 Optoacoplador Ander J. Miranda
17
Módulos de Salida • Digitales – A relé (para actuadores de AC y de DC). – A triac (para actuadores en AC). – A transistor (para actuadores en DC).
• Analógicas – Se usan para el manejo de dispositivos de campo, por ejemplo, variadores de velocidad, servo válvulas, entre otros.
Ander J. Miranda
Salidas a Triac
Ander J. Miranda
18
Salidas a Transistor
Ander J. Miranda
Conexión de Salidas
Incorrecto
Correcto Ander J. Miranda
19
Protección de los Módulos de Salida. Las cargas industriales son de tipo inductivo entre un 80% a un 90%, por lo tanto su desconexión ocasiona sobrepicos de voltaje que acortan la vida útil de los módulos de salida del PLC. Para disminuir este riesgo las salidas de los autómatas están provistas de un circuito de protección Ander J. Miranda
Protección de los Módulos de Salida RED RC. Contacto del rele de salida
C=220nF
R=100
C
1
2
3
Ander J. Miranda
20
Protección de los Módulos de Salida Protección con varistor
Ander J. Miranda
Circuitos de Proteccion Externos, para Cargas en DC. Protección con diodos para cargas DC, con bajo numero de maniobras
D=1N4004…7
D=1N4004…7 R(Ω)=Z(Ω) Ander J. Miranda
21
Circuitos Externos de Protección, para cargas DC. Protección con diodo y varistor, para cargas DC, Con elevado numero de maniobras
Ander J. Miranda
Circuitos de Proteccion Externos, para Cargas en AC. Red RC con varistor, carga de alta inductancia.
Red RC, para carga de alta impedancia
R≈100Ω Ω C≈0,1uF
Ander J. Miranda
22
Contactos de Reles Térmicos. Entradas Termico Entradas PLC PLC
Salidas Termico
Salidas Carga
Carga
Ander J. Miranda
Contactos de Reles Termicos • Conexión a la entrada. – Más técnica y segura, nos da una indicación visual de la falla. – Da la posibilidad de detener sólo el proceso en falla o todos los procesos involucrados. – Necesitamos una entrada por cada relé.
• Conexión a la salida. – Ahorro de entradas. – No hay señalizacion. – Sólo se tiene la posibilidad de desactivar el proceso en falla. Ander J. Miranda
23
Conexión de Salidas Comunes C
1
IT
2
I1
3
I2
4
I3
I4
U Z1
Z2
Z3
IT=I1+I2+I3+I4< I (del fabricante)
Z4
Ander J. Miranda
Conexión de Captadores
Ander J. Miranda
24
Modos de Operación del Autómata • STOP (off-line). En este modo el PLC no ejecuta el programa del usuario, en este modo se realiza la escritura del programa. • RUN (on-line). El programa del usuario se está ejecutando constantemente (no se puede modificar el programa), solo se puede visualizar.
Ander J. Miranda
Niveles de Automatizacion
Ander J. Miranda
25
LENGUAJES DE PROGRAMACION DEL PLC 1. 2. 3. 4. 5.
Diagrama escalera (LD). Lista de instrucciones (IL). Grafcet (diagrama de estados). Planos de funciones. Diagramas de flujo (organigrama).
Ander J. Miranda
DIAGRAMA ESCALERA Es el más usado, por ser similar a los esquemas eléctricos a relés. (preferido por los electricistas)
Ander J. Miranda
26
LISTA DE INSTRUCCIONES (IL) Es el lenguaje más básico y es diferente para cada PLC (es como un lenguaje assembler) STR NOT X1 AND X2 STR NOT X4 AND X5 OR STR OR Y1 AND NOT X3 OUT Y1 Ander J. Miranda
PLANOS DE FUNCIONES Es similar a construir un circuito usando compuertas lógicas.(preferido por los electrónicos) x1
&
x2
>1 &
x4
&
=
y1
x5 y1 x3
Ander J. Miranda
27
GRAFCET Consiste en construir el diagrama de estados que rige el funcionamiento del sistema Estado inicial Etapa (estado)
Transición o condición asociada Acción asociada a la etapa
Etapa (estado)
Transición o condición asociada Etapa (estado)
Acción asociada a la etapa Ander J. Miranda
CONTROL DE UN SISTEMA DISCRETO CON PLC Al cerrar el interruptor se enciende la lampara1 y se apaga la lampara2
Switch
PLC
Lámpara1
Lámpara2 Ander J. Miranda
28
CONTROL DE UN SISTEMA DISCRETO CON PLC L +
VAC
PLC
N -
C 0
L
VAC
N
MEMORIA DE C USUARIO I1
Q0
I1
Q2
0
1
1
2
2
L1
Switch L2
VAC
Ander J. Miranda
EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL DISCRETO
Ander J. Miranda
29
Ejemplo2: Lógica Cableada L1
L2
L3
M
CB
OL
M
CB
M
CB
M 3
OL
OL
START
M
STOP
OL
M
Ander J. Miranda
Ejemplo2: Conexionado y Programación del PLC L
VAC
N
VAC
C
C
START 1 STOP
I1
I2
S1
M
1
S1
2
2
3
3
Ander J. Miranda
30
Ejemplo 3 La pieza al ser captada por LS1, los dos cilindros extienden sus vástagos, y se mantienen así por un tiempo determinado, luego se retraen los dos simultáneamente
Esquema de instalación SV2 SV1
LS1
Ander J. Miranda
Ejemplo 3
SV2
SV1
Ander J. Miranda
31
Ejemplo 3 LS1
T1
M1
T.O. M1
M1
SV1
SV2
Lógica cableada. ANSI
T1 Ander J. Miranda
32
