Controladores Lógicos Programables Unidad I
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1.
AUTOMATIZACIÓN
La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Un sistema automatizado consta de dos partes principales: Parte de Mando Parte Operativa PARTE OPERATIVA
Es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las máquinas como motores, cilindros, compresores y los captadores como fotodiodos, finales de carrera. DETECTORES Y CAPTADORES Como las personas necesitan de los sentidos para percibir, lo que ocurre en su entorno, los sistemas automatizados precisan de los transductores para adquirir información de: La variación de ciertas magnitudes físicas del sistema. El estado físico de sus componentes Los dispositivos encargados de convertir las magnitudes físicas en magnitudes eléctricas se denominan transductores. Los transductores se pueden clasificar en función del tipo de señal que transmiten en: Transductores todo o nada: Suministran uña señal binaria binaria claramente diferenciados. diferenciados. Los finales de carrera son transductores de este tipo. Transductores numéricos: Transmiten valores numéricos en forma de combinaciones binarias. Los encoders son transductores de este tipo. Transductores analógicos: Suministran una señal continua que es fiel reflejo de la variación de la magnitud física medida. Algunos de los transductores más utilizados son: Final de carrera, fotocélulas, pulsadores, encoders, etc. ACCIONADORES Y PREACCIONADORES El accionador es el elemento final de control que, en respuesta a la señal de mando que recibe, actúa sobre la variable o elemento final del proceso. Un accionador transforma la energía de salida del automatismo en otra útil para el entorno industrial de trabajo. Los accionadores pueden ser clasificados en eléctricos, neumáticos e hidráulicos. Los accionadores más utilizados en la industria son: Cilindros, motores de corriente alterna, motores de corriente continua, etc. Los accionadores son gobernados por la parte de mando, sin embargo, pueden estar bajo el control directo de la misma o bien requerir algún preaccionamiento para amplificar la señal de mando. Esta preamplificación se traduce traduce en establecer o interrumpir la circulación circulación de energía desde la fuente al accionador.
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Los preaccionadores disponen de: Parte de mando o de control que se encarga de conmutar la conexión eléctrica, hidráulica o neumática entre los cables o conductores del circuito de potencia.
PARTE DE MANDO
Suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.
TECNOLOGÍAS CABLEADAS Con este tipo de tecnología, el automatismo se realiza interconectando los distintos elementos que lo integran. Su funcionamiento es establecido por los elementos que lo componen y por la forma de conectarlos. Esta fue la primera solución que se utilizó para crear autómatas industriales, pero presenta varios inconvenientes. Los dispositivos que se utilizan en las tecnologías cableadas para la realización del automatismo son: Relés electromagnéticos Módulos lógicos neumáticos. Tarjetas electrónicas.
TECNOLOGÍAS PROGRAMADAS Los avances en el campo de los microprocesadores de los últimos años han favorecido la generalización de las tecnologías programadas. En la realización de automatismos. Los equipos realizados para este fin son: Los ordenadores. Los autómatas programables.
El ordenador, como parte de mando de un automatismo presenta la ventaja de ser altamente flexible a modificaciones de proceso. Pero, al mismo tiempo, y debido a su diseño no específico para su entorno industrial, resulta un elemento frágil para trabajar en entornos de líneas de producción. Un autómata programable industrial es un elemento robusto diseñado especialmente para trabajar en ambientes de talleres, con casi todos los elementos del ordenador. Comparación de características entre sistemas cableados y sistemas programables CARACTERÍSTICAS Flexibilidad de adaptación al proceso Hardware estándar para distintas aplicaciones Posibilidades de ampliación Interconexiones y cableado exterior
SISTEMA DE CABLEADO Baja No Bajas Mucho
AUTOMATA PROGRAMABLE Alta Si Altas Poco
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Tiempo de desarrollo del proyecto Posibilidades de modificación Mantenimiento Herramienta para prueba Stocks de mantenimiento Modificaciones sin parar el proceso (on line) Coste para pequeñas series Estructuración en bloques independientes
Largo Difícil Difícil No Medios No Alto Difícil
Corto Fácil Fácil Si Bajos Si Bajo Fácil
OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de la producción y mejorando la
calidad de la misma. Mejorar las condiciones de trabajo del personal, personal, suprimiendo suprimiendo los trabajos penosos penosos e incrementando la seguridad. Realizar las operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente. Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo proveer las cantidades necesarias en el momento preciso. Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo. Integrar la gestión y producción.
LOS SISTEMAS DE CONTROL Un sistema de control es el conjunto conjunto de dispositivos electrónicos electrónicos necesarios para controlar controlar un proceso específico. Un sistema de control puede incluir desde un ordenador central de control hasta los elementos que suministran las entradas y ejecutan las salidas: los interruptores, motores paso a paso, solenoides y sensores, pasando por los autómatas programables y posibles redes de conexión. Un sistema de control puede integrar aplicaciones de gran escala donde diferentes modelos de autómatas están conectados entre sí o aplicaciones tan simples como un autómata controlando un solo dispositivo de salida. El autómata es el dispositivo del sistema de control que controla directamente el proceso de fabricación. De acuerdo con el programa almacenado en memoria, el autómata recibe los datos de los dispositivos de entrada conectados a el, utiliza estos datos para monitorizar el sistema controlado.
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Cuando el programa ordena tomar alguna acción, el autómata envía las señales correspondientes a los dispositivos de actuación conectados a sus salidas. El autómata se puede utilizar para controlar un proceso simple, repetitivo o puede conectarse a otros autómatas o a un ordenador para integrar el control de un sistema complejo. Los autómatas reciben las señales de entrada y generan las señales de salida. Al detectarse cambio en las señales, el autómata reacciona, según el programa grabado por el usuario, para producir las señales de salida. El autómata ejecuta continuamente el programa para conseguir este control.
Se ha de diseñar un programa para la aplicación concreta y almacenarlo almacenarlo en la memoria del autómata. Este programa se ejecutará como parte del ciclo de operaciones internas del autómata.
El siguiente ejemplo de un automatismo en lógica cableada: Motor B, bajada y subida, contactores K3 y K4. Motor A, rotación de broca, derecha e izquierda, contactores K1 y K2. Finales de Carrera FC1 y FC2. Pulsadores de marcha y paro.
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El circuito de lazo cerrado es el siguiente:
FASES DE ESTUDIO EN LA ELABORACIÓN DE UN AUTOMATISMO Para el desarrollo y elaboración correcta de un automatismo, por el técnico o equipo en cargado de ello, es necesario conocer previamente los datos siguientes: a. Las especificaciones técnicas técnicas del sistema o proceso a automatizar y su correcta interpretación. b. La parte económica asignada para no caer en el error de elaborar una buena opción desde el punto de vista técnico, pero inviable económicamente. c. Los materiales, aparatos, etc.., existentes en el mercado que se van a utilizar para diseñar el automatismo. En esté apartado es importante conocer también: Calidad de la información técnica de los equipos. Disponibilidad y rapidez en cuanto a recambios y asistencia técnica. El organigrama representa el procedimiento general o fases más utilizadas para el estudio de los automatismos. A continuación se va a estudiar cada uno de los apartados descritos: a. Estudio previo. Es importante antes de acometer cualquier estudio medianamente serio de un automatismo el conocer con el mayor detalle posible las características, el funcionamiento, las distintas funciones, etc., de la máquina o proceso a automatizar; esto lo obtenemos de las especificaciones funcionales, ésta es la base mínima a partir de la cual podremos iniciar el siguiente paso, es decir, estudiar cuáles son los elementos más idóneos para la construcción del automatismo.
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b. Estudio técnico-económico. Es la parte técnica de especificaciones del automatismo: relación de materiales, aparatos, su adaptación al sistema y al entorno en el que se haya inscrito, etc. También aquí se ha de valorar la parte operativa del comportamiento del automatismo en todos sus aspectos, como mantenimiento, fiabilidad, etcétera. Es obvio que la valoración económica, que será función directa de las prestaciones del mismo, ha de quedar incluida en esta parte del estudio. c. Decisión final. Las dos posibilidades u opciones tecnológicas generales posibles: lógica cableada y lógica programada. Con esta información y previa elaboración de los parámetros que se consideren necesarios tener en cuenta, se procede al análisis del problema.
1.1
GENERALIDADES DE LOS PLCs
El término PLC de amplia difusión en el medio significa en inglés, Controlador Lógico Programable. Originalmente se denominaban PCs (Programmable Controllers), pero, con la llegada de las IBM PCs, para evitar confusión, se emplearon definitivamente las siglas PLC. En Europa, el mismo concepto es llamado Autómata Programable. La definición más apropiada es: Sistema Industrial de Control Automático que trabaja bajo una secuencia almacenada en memoria, de instrucciones lógicas. Es un sistema porque contiene todo lo necesario para operar, e industrial por tener todos los registros necesarios para operar en los ambientes hostiles encontrados en la industria.
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Un autómata programable industrial (API) o Programable Logic Controller (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuénciales.
Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la instalación. Esta familia de aparatos se distingue de otros controladores automáticos en que puede ser programado para controlar cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros muchos que, solamente pueden controlar un tipo específico de aparato. Un programador o Control de Flama de una caldera, es un ejemplo de estos últimos. Además de poder ser programados, se insiste en el término "Control Automático", que corresponde solamente a los aparatos que comparan ciertas señales provenientes de la máquina controlada de acuerdo con algunas reglas programadas con anterioridad para emitir señales de control para mantener la operación estable de dicha máquina. Las instrucciones almacenadas en memoria permiten modificaciones así como su monitoreo externo. NEMA define el PLC como un aparato digital electrónico con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones que implementan funciones específicas tales como secuénciales, lógicas, de tiempo, de conteo, para controlar máquinas y procesos.
Aunque la arquitectura de un PLC es básicamente la misma de una computadora de propósitos generales, hay algunas características que los distinguen:
El PLC está diseñado para trabajar en un ambiente industrial con una cantidad sustancial de ruido eléctrico, interferencia electromagnética, vibración, altas temperaturas, etc.
En el PLC el hardware y el software son diseñados para que sean fáciles de utilizar por técnicos y electricistas. Su estructura con frecuencia modular, hace que el mantenimiento y las reparaciones sean sencillas.
Las computadoras son complejas máquinas de cómputo, capaces de ejecutar diferentes programas o tareas simultáneamente y en cualquier orden, el PLC ejecuta su programa sencillo en forma ordenada y secuencial.
El PLC posee todas las ventajas de los sistemas programables entre las que podemos puntualizar:
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Control flexible. La eliminación de controles alambrados es el primer paso para ganar flexibilidad. A manera de ejemplo consideremos el control de un solenoide por medio de dos interruptores conectados en serie. Cambiar la operación del solenoide colocando los dos interruptores en paralelo o combinándolos con un tercero podría tomar menos de un minuto en un PLC, lo cual se podría realizar en la mayoría de los casos sin desenergizar o parar el sistema. El mismo cambio en el sistema alambrado podría haber tomado de 30 a 60 minutos, lo que podría ser traducido en considerables pérdidas de producción.
Fácil instalación. Los mismos atributos del PLC hacen de cada instalación una operación sencilla y hasta cierto punto rutinaria. Su relativo pequeño tamaño permite al PLC ser ubicado usualmente en menos de la mitad del espacio requerido por un panel basado en relés.
Mantenimiento. Desde el inicio, los PLC han sido diseñados teniendo en mente la facilidad del mantenimiento. Con todos los componentes virtualmente de estado só lido, el mantenimiento se reduce a cambios de algún módulo o de algunos componentes alojados en base.
Campos de aplicación. Se pueden utilizar los PLC en virtualmente todas las áreas de la industria: plantas de papel, industria de alimentos, industrias químicas, petroquímicas, automotrices, generadoras de energía, etc. El uso de los PLC está limitado solo por la imaginación.
Algunos de los inconvenientes inconvenientes más mencionados podemos destacar:
Hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en día ese inconveniente está solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento.
El costo inicial también puede ser un inconveniente.
HISTORIA DE LOS PLCs Hasta no hace mucho tiempo, el control de procesos industriales se venía haciendo de forma “cableada” por medio de contactores y relés. Al operario que se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exigía tener altos conocimientos técnicos para poder realizarlas y posteriormente mantenerlas. Además cualquier variación en el proceso suponía modificar físicamente gran parte de las conexiones de los montajes, siendo necesario para ello un gran esfuerzo técnico y un mayor m ayor desembolso. En 1969 la División Hydramatic de la General Motors instaló el primer PLC para reemplazar los sistemas inflexibles alambrados usados entonces en sus líneas de producción. Ya en 1971, los PLCs se extendían a otras industrias y, en los ochentas, ya los componentes electrónicos permitieron un conjunto de operaciones en 16 bits,- comparados con los 4 de los 70s -, en un pequeño volumen, lo que los popularizó en todo el mundo. En los primeros años de los noventas, aparecieron los microprocesadores de 32 bits con posibilidad de operaciones matemáticas complejas, y de comunicaciones entre PLCs de diferentes marcas y PCs, los que
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abrieron la posibilidad de fábricas completamente automatizadas y con comunicación a la Gerencia en "tiempo real". En la actualidad no se puede entender un proceso complejo de alto nivel desarrollado por técnicas “cableadas”. El ordenador y los autómatas programables han intervenido de forma considerable para que
este tipo de instalaciones instalaciones se haya visto sustituidas por por otras formas programadas de control. El Autómata Programable Industrial (API) nació como solución al control de circuitos complejos de automatización. Por lo tanto se puede decir que un API no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas automáticos. A él se conectan los captadores (finales de carrera, pulsadores, etc.) por una parte, y los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, pequeños receptores, etc.) por otra.
FUNCIONES DEL AUTÓMATA PROGRAMABLE El autómata es el dispositivo del sistema de control que controla directamente el proceso de fabricación. De acuerdo con el programa almacenado en memoria, el autómata recibe los datos de los dispositivos de entrada conectados a el, utiliza estos datos para monitorizar el sistema controlado. Cuando el programa ordena tomar alguna acción, el autómata envía las señales correspondientes a los dispositivos de actuación conectados a sus salidas. El autómata se puede utilizar para controlar un proceso simple, repetitivo o puede conectarse a otros autómatas o a un ordenador para integrar el control de un sistema complejo. Los autómatas reciben las señales de entrada y generan las señales de salida. Al detectarse cambio en las señales, el autómata reacciona, según el programa grabado por el usuario, para producir las señales de salida. El autómata ejecuta continuamente el programa para conseguir este control.
Se ha de diseñar un programa para la aplicación concreta concreta y almacenarlo en en la memoria del autómata. Este programa se ejecutará como parte del ciclo de operaciones internas del autómata. FUNCIONES BÁSICAS DE UN PLC Detección: Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación. Mando: Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores. Dialogo Hombre - Máquina: Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus
consignas e informando del estado del proceso.
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Programación: Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El
dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina. NUEVAS FUNCIONES Redes de comunicación: Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes
industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo real. En unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de memoria compartida. Sistemas de supervisión: También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos
de programas de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por medio de una simple conexión por el puerto serie del ordenador. Control de procesos continuos: Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los
autómatas llevan incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores PID que están programados en el autómata. Entradas- Salidas Salidas distribuidas: distribuidas: Los módulos de entrada salida salida no tienen porqué estar en el armario armario
del autómata. Pueden estar distribuidos por la instalación, se comunican con la unidad central del autómata mediante un cable de red. Buses de campo: Mediante un solo cable de comunicación se pueden conectar al bus captadores y
accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente el estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadores.
CLASIFICACIÓN DE LOS PLC El término estructura externa o configuración externa de un autómata programable industrial se refiere al aspecto físico exterior del mismo, bloques o elementos en que está dividido. Actualmente son tres las estructuras más significativas que existen en el mercado: Estructura compacta. Estructura semimodular. ( Estructura Americana) Estructura modular. (Estructura Europea) ESTRUCTURA COMPACTA Este tipo de autómatas se distingue por presentar en un solo bloque todos sus elementos, esto es, fuente de alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etc. Son los autómatas de gama baja o nano autómatas los que suelen tener una estructura compacta. Su potencia de proceso suele ser muy limitada dedicándose a controlar máquinas muy pequeñas o cuadros de mando.
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ESTRUCTURA SEMIMODULAR Se caracteriza por separar las E/S del resto del autómata, de tal forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o de programa y fuente de alimentación y separadamente las unidades de E/S. Son los autómatas de gama media los que suelen tener una estructura semimodular (Americana).
ESTRUCTURA MODULAR Su característica principal es la de que existe un módulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el autómata como puede ser una fuente de alimentación, CPU, E/S, etc. La sujeción de los mismos se hace por carril DIN, placa perforada o sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que lo componen. Son los autómatas de gama alta los que suelen tener una estructura modular, que permiten una gran flexibilidad en su constitución.
Esta tabla resume a grandes rasgos las características de los autómatas actuales desde el punto de vista de modularidad.
AUTOMATAS
COMPACTOS
NUMERO DEL CPU
I CENTRAL
I CENTRAL
No de entradas / salidas Juego de instrucciones Unidades de expansión
8 a 256 < 2000 Digitales + analógicas
128 a 1024 < 2000 Digitales
CPU ÚNICA
MODULARES VARIAS CPU I CENTRAL + X DEDICADOS > 1024 2000 a 40000 + Digitales +
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analógicas Funciones en red
Esclavo
1.2
Esclavo
analógicas + reguladores Maestro o esclavo
ESTRUCTURA DEL PLC
En cualquier PLC hay un número de componentes fácilmente identificables, algunos como la CPU y las interfases de entrada/salida son vitales para el funcionamiento, otros como la interfase de operador no son esenciales pero son deseables por las prestaciones que aportan al sistema. Las partes más importantes del PLC son: Unidad central de proceso (CPU) Sistema de entrada / salida Con las partes mencionadas podemos decir que tenemos un autómata pero para que sea operativo son necesarios otros elementos tales como: Fuente de alimentación Interfases de Comunicaciones Comunicaciones Dispositivos Periféricos Unidad o Consola de Programación
El diagrama de bloques de un PLC es el siguiente:
UNIDAD CENTRAL DE PROCESO O CPU La Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema. Se encarga de recibir las ordenes del operario por medio de la consola de programación y el modulo de entradas. Posteriormente las procesa para enviar respuestas al módulo de salidas. En su memoria se encuentra residente el programa destinado a controlar el proceso. Los equipos programables emplean un procesador binario que es capaz de interpretar una serie de códigos o instrucciones que especifican las acciones al realizar en función del listado de las variables del sistema.
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El procesador puede interpretar una sola instrucción a cada instante, a gran velocidad (microsegundo); esta forma de actuar introduce el concepto de tratamiento t ratamiento secuencial de la información.
Diseño de un microprocesador microprocesador
La CPU debe entenderse como un subsistema del PLC formado por una base de circuito impreso que contiene las siguientes partes: Memoria RAM: se utiliza principalmente como memoria interna, y únicamente como memoria de programa en el caso de que pueda asegurarse el mantenimiento de los datos con una batería exterior.
Memoria EPROM: se utilizan para almacenar el programa de usuario, una vez que ha sido convenientemente convenientemente depurada.
Memoria EEPROM: se emplean principalmente para almacenar programas, aunque en la actualidad es cada vez más frecuente el uso de combinaciones RAM + EEPROM, utilizando estas ultimas como memorias de seguridad que salvan el contenido de las RAM. Una vez reanudada la alimentación, el contenido de la EEPROM se vuelca sobre la RAM. Las soluciones de este tipo están sustituyendo a las clásicas RAM + batería puesto que presentan muchos menos problemas.
ALU o unidad aritmética y lógica residente en el chip microprocesador.
Sistema oscilador. Genera los impulsos que dan la temporización a todo el sistema.
Sistema reset. Para bloquear el sistema en caso de una falla irrecuperable.
Sistema de decodificación. Sirve para hacer accesibles todos los componentes del sistema al microprocesador.
Drivers/latches. Componentes Componentes lógicos para separar las diferentes partes del sistema
Sistema de Buses internos. Son las conexiones físicas entre los diferentes componentes del sistema, estos son bus de datos, de direcciones y de control.
Comunicación. Provee la interfase para programar el PLC desde una computadora o desde un programador manual o para visualizar v isualizar la información.
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SISTEMA DE BUS Un sistema de bus es un determinado número de líneas eléctricas divididas en líneas de direcciones, de datos y de control. La línea de direcciones se utiliza para seleccionar la dirección de un elemento conectado al bus y línea de datos para transmitir la información requerida. Las líneas de control son necesarias para habilitar el dispositivo conectado al bus como emisor o como receptor.
Diseño fundamental de un microprocesador microprocesador con su s istema de buses
MEMORIA DE LOS PLC La memoria es el almacén donde el autómata guarda todo cuanto necesita para ejecutar la tarea de control.
Datos del proceso: Señales de planta, entradas y salidas. Variables internas, de bit y de palabra. Datos alfanuméricos y constantes. Datos de control: Instrucciones de usuario (programa)
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Configuración del autómata (modo de funcionamiento, funcionamiento, número de e/s conectadas)
MEMORIA INTERNA En un autómata programable, la memoria interna es aquella que almacena almacena el estado de las variables que que maneja el autómata: entradas, salidas, contadores, relés internos, señales de estado, etc. Esta memoria interna se encuentra dividida en varias áreas, cada una de ellas con un cometido y características distintas. La clasificación de la memoria interna no se realiza atendiendo a sus características de lectura y escritura, sino por el tipo de variables que almacena y el número de bits que ocupa la variable. Así, la memoria interna del autómata queda clasificada en las siguientes áreas. Área de imágenes de entradas/salidas y Área interna (IR). En esta área de memoria se encuentran: encuentran: Los canales (registros) asociados a los terminales externos (entradas y salidas). Los relés (bit) internos (no correspondidos con el terminal externo), gestionados como relés de E/S. Los relés E/S no usados pueden usarse como IR. No retienen estado frente a la falta de alimentación o cambio de modo de operación. Área especial (SR). Son relés de señalización de funciones particulares como: Servicio (siempre ON, OFF) Diagnosis (señalización o anomalías) Temporizaciones (relojes a varias frecuencias) Cálculo Comunicaciones Accesible en forma de bit o de canal. No conservan su estado en caso de fallo de alimentación o cambio de modo.
Área auxiliar (AR). Contienen bits de control e información de recursos de PLC como: Puerto RS232C, puertos periféricos, casetes de memoria. Se dividen en dos bloques: Señalización: Errores de configuración, datos del sistema. Memorización y gestión de datos Es un área de retención. Accesible en en forma de bit o de canal. canal. No conservan su estado estado en caso de fallo de alimentación alimentación o cambio de modo. Área de enlace (LR).
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Se utilizan para el intercambio de datos entre dos PLC´s unidos en forma PC Link(1:1). Dedicados al intercambio de información entre PLC´s. Si no se utilizan como LR L R pueden usarse como IR. Accesible en forma de bit o canal. No conservan su estado en caso de fallo de alimentación o cambio de modo.
Área de retención (HR). Mantienen su estado ante fallos de alimentación o cambio de mo do de PLC. Son gestionados como los IR y direccionables direccionables como bit o como canal.
Área de temporizadores t emporizadores y contadores (TIM/CNT). Es el área de memoria que simula el funcionamiento de estos dispositivos. Son usados por el PLC para programar retardos y conteos.
Área de datos (DM).
Se trata de memoria de 16 bits (palabra). Utilizable para gestión de valores numéricos. Mantiene su estado ante cambios de modos de trabajo o fallo de alimentación. Direccionables como Canal (palabra). Esta área suele contener los parámetros de configuración del PLC (setup).
Las variables contenidas contenidas en la memoria interna, pueden ser consultadas consultadas y modificadas modificadas continuamente continuamente por el programa, cualquier número de veces. Esta actualización continua de los datos obliga a construir la memoria con dispositivos RAM. MEMORIA DE PROGRAMA La memoria de programa, normalmente externa y enchufable a la CPU mediante casete de memoria, almacena el programa escrito por el usuario para su aplicación. Cada instrucción del usuario ocupa un paso o dirección del programa. Las memorias de programa o memorias de usuario son siempre de tipo permanente RAM + batería o EPROM/EEPROM . Por lo general la mayoría de los fabricantes de autómatas ofrecen la posibilidad posibilidad de
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utilizar memorias RAM con batería para la fase de desarrollo y depuración de los programas, y de pasar estos a memorias no volátiles EPROM o EEPROM una vez finalizada esta fase. La ejecución del programa en el módulo es siempre prioritaria, de forma que si se da tensión al autómata con un módulo conectado, la CPU ejecuta su programa y no el contenido en memoria RAM R AM interna. SISTEMA DE ENTRADA / SALIDA Son los dispositivos básicos por donde se toma la información de la máquina, en el caso de las entradas, y por donde se realiza la activación de los procesos, en las salidas. Las funciones principales son el adaptar las tensiones e intensidades de trabajo de los captadores y actuadores a las del trabajo de los circuitos electrónicos del autómata; realizar una separación eléctrica entre los circuitos lógicos de los de potencia, generalmente a través de optó acopladores, y proporcionar el medio de identificación de los captadores y actuadores ante el procesador. Las entradas a las que se hace referencia pueden ser pulsadores, interruptores de límite, sensores analógicos, selectores, encoders, etc. mientras que las salidas pueden ser bobinas de contactores, válvulas solenoides, luces piloto, carga resistiva, etc.
MÓDULO DE ENTRADAS Las entradas son fácilmente identificables, ya que se caracterizan físicamente por sus bornes para acoplar los dispositivos de entrada o captadores, por su numeración, y por su identificación INPUT o ENTRADA; llevan además una indicación luminosa de activado por medio de un L ED. En cuanto al tipo de señal que reciben, estás pueden ser: analógicas y digitales. a) Analógicas. Cuando la magnitud que se acopla a la entrada correspondiente a una medida de, por ejemplo, presión, temperatura, velocidad, etc., esto es, analógica, es necesario disponer de este tipo de módulo de entrada. Su principio de funcionamiento se basa en la conversión de la señal analógica a código binario mediante un convertidor analógico digital (A/D). La tabla siguiente muestra algunos parámetros significativos de este tipo de módulos. Campo o Rango de Intensidad o Tensión
Resolución (Bits)
0 ... 10 V 4 ... 20 mA 0 ... 10 V 4 ... 20 mA
8 8 12 12
Tiempo de Conversión (ms) 1 1 1 1
Precisión
(1% + 1 bit) en entradas y 1 % en salidas
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La resolución de 12 bits se utiliza generalmente cuando las aplicaciones son de alta precisión. b) Digitales. Son las más utilizadas y corresponden a una señal de entrada (todo o nada), esto es, a un nivel de tensión o a la ausencia de la misma. Ejemplo de este tipo son los finales de carrera, interruptores, pulsadores, etc.
La figura representa el esquema simplificado de un circuito de entrada por transistor del tipo NPN, en el que se destaca como elemento principal, el optoacoplador.
MODULOS DE ENTRADA DE CORRIENTE ALTERNA Los valores de tensión más frecuente son: 24, 48, 120 y 240 VA C. Las interfases para entradas de AC, incorporan casi siempre el aislamiento galvánico, por lo que el esquema de principio más típico es el que se muestra a continuación. Se puede observar en dicho esquema, que la tensión de entrada es rectificada en la interfaz y que esta dispone de un filtro RC de entrada. La interfaz suele agrupar varias entradas con un Terminal común, de forma que los interruptores y otras señales de campo, puedan utilizar un hilo común de retorno. La fuente de alimentación para las entradas será, en este caso, una tensión alterna obtenida de un transformador de mando o directamente de la red, aunque por motivos de seguridad es preferible la primera solución. La presencia de tensión en cada una de las entradas suele estar indicada por un diodo LED, facilitando la comprobación y mantenimiento del equipo.
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Conexión de interruptores interruptores a una interfase de entrada de AC
MÓDULO DE SALIDAS En los contactos de salida del Autómata se conectan las cargas o actuadores directamente o a través de otros elementos de mando, como pueden ser contactores por medio de sus bobinas. Las salidas se suelen distribuir en varios grupos independientes de 1, 2, 4, etc., contactos de tal forma que se pueden utilizar varias tensiones, según las necesidades necesidades de las cargas. La información enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada, se envía al módulo mó dulo de salidas para que estas sean activadas y a la vez los actuadores a ctuadores que en ellas están conectados. Estructura básica para una salida de tipo lógico o binario, poniendo de relieve los circuitos de aislamiento.
Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar diferentes módulos de salidas. Existen tres tipos bien diferenciados:
A relés. Este tipo de salida suele utilizarse cuando el consumo tiene cierto valor (del orden de los amperios) y donde las conmutaciones no son demasiado rápidas. Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Están basados en la conmutación mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico normalmente abierto.
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A triac. Se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna que necesiten maniobras de conmutación muy rápidas en donde el relé no es capaz de realizarlas o su vida se hace más corta, en cuanto al valor de intensidad, suele tener valores similares al relé.
A transistores. El uso del este tipo de módulos es exclusivo de los circuitos de c.c. y cuando las cargas sean del tipo de poco consumo, rápida respuesta y alto número de operaciones, como en el caso de circuitos electrónicos. Su vida es superior a la del relé.
MODULOS DE ENTRADAS / SALIDAS ANALÓGICAS No todos los autómatas programables son capaces de manipular señales analógicas, pero es frecuente que existan módulos de ampliación para los tipos de PLC compactos o PLC modulares, que si sin capaces de procesar dichas señales. Conjuntamente los fabricantes del PLC incorporan en su software, funciones específicas para tratar señales de tipo analógico. El procesamiento de datos dentro del PLC P LC es enteramente digital, como corresponde a todo sistema basado en un microprocesador y por tanto, las señales de tipo analógico deben ser previamente digitalizadas para que puedan ser procesadas (utilizando convertidores A/D).
Proceso de adaptación de las señales de E/S analógicas
Dicha forma digital, consistirá en representar la magnitud de la variable analógica con un número codificado en forma binaria o en forma BCD.
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Recíprocamente, si el PLC debe suministrar al proceso señales de regulación continuas, deberá previamente convertir los datos internos en la forma binaria o BCD a magnitudes de tipo analógico.
Principio de funcionamiento de un convertidor Digital/analógico. Digital/analógico.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. La alimentación a la CPU puede ser de continua a 24 Vcc, tensión muy frecuente en cuadros de distribución, o en alterna a 120/240 Vca. En cualquier caso es la propia CPU la que alimenta las interfaces conectadas a través del bus interno.
Esquema de una fuente de alimentación para un autómata programable
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La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse, según tipos, en alterna a 48/120/240 Vca o en continua a 12/24/48 Vcc. La fuente de alimentación del autómata puede incorporar una batería tampón, que se utiliza para el mantenimiento de algunas posiciones internas y del programa usuario en memoria RAM, cuando falla la alimentación o se apaga el autómata.
La fuente de alimentación debe tener las siguientes características:
Debe proveer la energía suficiente (característica medida generalmente en Amperios) para que el sistema trabaje sin sobrecarga y además debe tener un margen para el crecimiento del sistema. Debe ser robusta, es decir, se espera que funcione en condiciones de voltaje de alimentación no siempre estables sin que estas variaciones indeseables se reflejen en los componentes que se sirven de ella. Además se deben adaptar a los rangos de tensión de alimentación que se encuentran con más frecuencia en los ambientes industriales.
Principio de conexión interna de una fuente de alimentación para un autómata programable.
Generalmente las fuentes de alimentación son de tipo electrónica conmutada. Esta es una técnica que permite obtener una tensión DC estable para el funcionamiento de los circuitos electrónicos integrados que es prácticamente independiente del nivel de tensión de entrada, dentro de un amplio rango, por ejemplo, se puede generar +12VDC establemente para un rango de voltaje de entrada tan amplio como 85-265 VAC. Este tipo de fuente no utiliza el transformador tradicional por lo que se reduce el tamaño, el peso, los costos y la eficiencia de conversión. Es el mismo tipo de alimentador utilizado en las computadoras personales.
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INTERFASE DE COMUNICACIÓN
Interfase de comunicación para equipo Omron
La interfase de comunicación con el PLC es la que hace posible que podamos interactuar con el. La interfase nos debe permitir por lo menos:
Descargar a través de ella, los programas programas de aplicación desarrollados desarrollados en una computadora personal personal o en un programador manual en la memoria de trabajo del PLC. Monitorear la ejecución del programa en el PLC, permitiendo modificaciones en registros, lectura de tablas internas, modificación del programa, etc. En un nivel superior, la interfase de comunicación debe permitir que el PLC pueda accesar otros componentes del sistema tales como módulos de expansión de entrada/salida remotas, por medio de controladores de buses de comunicación estándar. Esta configuración se conoce como red.
Interfase de comunicación para equipo Siemens
En términos eléctricos, la comunicación se puede realizar por medio de un puerto paralelo a alta velocidad o más comúnmente por medio de una línea serie que aunque es más lenta puede tener un mayor alcance. Usualmente las interfases serie proveen niveles de tensión para RS232, con la que se puede comunicar con una computadora u otro elemento hasta un máximo de 30 metros, o por medio de convertidores se pueden tener niveles RS485/422 que siendo señales diferenciales pueden alcanzar hasta 1200 metros. Las velocidades van de los 1200 a los 19600 bauds, con 2 o más líneas de handshaking y protocolos software con habilidad para gestión de errores y para el direccionamiento direccionamiento de todos los componentes del sistema.
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Ampliación del autómata autómata por medio de interfases y una sola CPU
TARJETAS MODULARES INTELIGENTES. Existen para los PLCs modulares, tarjetas con funciones específicas que relevan al microprocesador de las tareas que requieren de gran velocidad o de gran exactitud. Estas tarjetas se denominan inteligentes por contener un microprocesador dentro de ellas para su funcionamiento propio. El enlace al PLC se efectúa mediante el cable (bus) o tarjeta de respaldo y a la velocidad del CPU principal. Las funciones que se encuentran en este tipo de tarjetas son de: Posicionamiento de Servomecanismos Servomecanismos Contadores de Alta Velocidad. Transmisores de Temperatura. Puerto de Comunicación BASIC.
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BUS. Los sistemas modulares requieren una conexión entre los distintos elementos del sistema y, esto se logra mediante un bastidor que a la vez es soporte mecánico de los mismos.
Este bastidor contiene la conexión a la fuente de voltaje, así como el "bus" de direcciones y de datos con el que se comunican las tarjetas y el CPU. En el caso de tener muchas tarjetas de entradas/salidas, o de requerirse éstas en otra parte de la máquina, a cierta distancia de la CPU, es necesario adaptar un bastidor adicional que sea continuación del original, con una conexión entre bastidores para la comunicación. Esta conexión si es cercana puede lograrse con un simple cable paralelo y, en otros casos, se requiere de un procesador de comunicaciones para emplear fibra óptica o, una red con protocolo establecida.
INTERFASES DE OPERADOR La interfase de operador es un componente que no siempre se encuentra en los sistemas de automatización y no es un elemento básico básico del PLC, es decir, decir, no es esencial para el funcionamiento funcionamiento del sistema, sin embargo la flexibilidad que agrega del punto de vista del monitoreo y de las regulaciones que se pueden hacer en los parámetros del proceso controlado hace que en muchos casos un sistema no tenga utilidad práctica si no cuenta con una interfase de operador.
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La interfase de operador usualmente puede ser:
Una pantalla para la presentación de los datos. Esta puede ser de cristal líquido, de filamentos al vacío, de matriz sensible al tacto, tubo de rayos catódicos, etc. y sus potencialidades van desde un simple presentador alfanumérico hasta una interfase con capacidades gráficas, colores y sensible al tacto.
Un teclado para introducción de datos. Estos usualmente son del tipo de membrana hermética a prueba de ambientes húmedos o con mucho polvo. Poseen realimentación audible y las funciones que desempeña cada tecla se puede programar.
SCADA (Adquisición de Datos y Supervisión de Control). Las siglas SCADA engloban a un conjunto de software (programas) y hardware (PC's, autómatas programables...) capaces de controlar un proceso de forma automática desde una pantalla de ordenador. Es el sistema de control más potente dentro de los HMI, dándonos la posibilidad de visualizar y supervisar gráficamente en un monitor los procesos de una planta, instalación o máquina. Entre las múltiples cualidades podemos destacar: Generación de avisos, alarmas y acuse de recibo. Almacenamiento de históricos de producción, alarmas y avisos en disco duro para una posterior manipulación o impresión. Análisis de señales dentro del proceso productivo. Generación de recetas de productos o procesos.
Las interfases de operador se usan esencialmente para la introducción y visualización de datos del proceso, con ellas no es posible hacer modificaciones al programa del PLC. Poseen un número determinado de
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páginas de información que pueden mostrar (en el orden de las 100 o más). Permiten la creación de menús de selección de las variables variables de interés y en algunos casos están equipadas con reloj reloj (RTC o real time clock). Se pueden programar además alarmas en función del tiempo o del valor de alguna variable v ariable crítica. Las interfases de operador se conectan al sistema PLC por medio de una línea de comunicación serie, poseen su propio microprocesador y en general tienen un costo elevado. La programación además se hace desde un ambiente diferente al que programa el PLC porque en este caso se trata sobre todo de presentar algún tipo de texto formateado, y no de generar secuencias como en el caso del PLC
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CONEXIÓN DE LAS ENTRADAS Y SALIDAS
La eficaz puesta en funcionamiento de un PLC pasa necesariamente por una correcta conexión de los captadores en las entradas y los actuadores en las salidas. De esta forma conseguimos las siguientes ventajas:
El buen funcionamiento y ausencia de averías.
La limitación en el número de entradas y salidas que se van a utilizar, lo que implica un ahorro en el precio del Autómata
DISPOSITIVOS DE ENTRADA Los autómatas pueden recibir señales de entrada de dispositivos automáticos, temporizadores, encoders, fotoceldas, etc.; o manuales, pulsadores, teclados, etc. El principio físico de actuación de los sensores puede ser con contacto como los finales de carrera, por interrupción de rayo de luz como las fotoceldas, inductivos o capacitivos como los interruptores interruptores de proximidad. Se entiende por captadores en general, aquellos elementos que se acoplan o conectan a las entradas del autómata. Estos pueden ser de dos tipos:
Analógicos, cuya señal eléctrica es variable en el tiempo, y que necesariamente han de acoplarse al mismo tipo de entradas.
Digitales, en donde la señal responde a: Contacto abierto “ 0” y Contacto cerrado “1”.
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Cuando se conecta un captador a la entrada de un PLC y este se encuentre en posición cerrada aplicando tensión de la batería al elemento elemento interno del autómata este indicará su estado estado encendiendo un un piloto, tal como lo muestra la figura:
Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al módulo de entradas: a) los Pasivos b) los Activos. Los Captadores Pasivos son aquellos que cambian su estado lógico activado - no activado, por medio de una acción mecánica. Estos son los Interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc.
Los Captadores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico. Este es el caso de los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoeléctricos). Muchos de estos aparatos pueden ser alimentados por la propia fuente de alimentación del autómata.
Conexión a las entradas del autómata de captadores de tensión
Acoplamiento de fuente de alimentación auxiliar
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El que conoce conoce circuitos de automatismos industriales industriales realizados por contactores, contactores, sabrá que puede utilizar, como captadores, contactos eléctricamente abiertos o eléctricamente cerrados dependiendo de su función en el circuito. Como ejemplo podemos podemos ver un simple arrancador de encendido / apagado. En él se distingue el contacto usado como pulsador de marcha que es normalmente abierto y el usado como pulsador de parada que es normalmente cerrado, sin embargo en circuitos automatizados por autómatas, los captadores son generalmente abiertos. DISPOSITIVOS DE SALIDA El autómata puede enviar la señal de salida a un gran número de dispositivos utilizados en la automatización. Prácticamente Prácticamente todo lo imaginable puede puede ser controlado con un autómata. autómata. Algunos de los dispositivos más comunes son motores, solenoides, servomotores, motores paso a paso, válvulas, interruptores, indicadores y alarmas. Ciertos dispositivos como motores, válvulas, solenoides afectan directamente el sistema controlado; otros como indicadores luminosos o sonoros y alarmas, sirven como sistemas de monitorización y aviso.
Veamos un típico típico circuito de de automatismos. Un arrancador estrella / triangulo con con temporizador. La figura muestra como es la técnica técnica cableada. Por una parte tenemos el circuito de fuerza, fuerza, que alimenta el motor, y por otra el circuito auxiliar o de mando, que realiza la maniobra de arranque arranque de dicho motor.
La otra figura muestra cómo se realiza el mismo montaje de forma programada. El circuito de fuerza es exactamente el mismo que en la técnica cableada. Sin embargo, el de mando será sustituido por un autómata programable, al cual se unen eléctricamente eléctricamente los pulsadores y las bobinas de los contactores. contactores. La maniobra de arranque la realizara el programa que previamente se ha transferido tr ansferido al autómata.
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