Automatas programables Albert Mayol i Badía

Autómatas programables Albert Mayol i Badía

P R O D U C T I C A

Colección «Prodúctica» Dirección técnica: José Mompín Poblet © MARCOMBO, S. A., 1988 Reservados todos los derechos de publicación en cualquier idioma por MARCOMBO, S. A. Gran Via de les Corts Catalanes, 594 08007 Barcelona (España)

No se permite la reproducción total o parcial de este libro ni el almacenamiento en un sistema de informática ni transmisión en cualquier forma o por cualquier medio, electrónico, mecánico, fotocopia, registro u otros métodos sin el permiso previo y por escrito de los propietarios del Copyright.

ISBN: 978-84-267-0672-0 Depósito Legal: B-36.339-88 Impreso en España Printed in Spain Fotocomposición: FOINSA - Gran Via de les Corts Catalanes, 569 08011 Barcelona Impresión: A.G. Portavella, S.A. - Diputación, 427 - 0801 3 Barcelona

Presentación

El Autómata Programable Industrial es un equipo electrónico destinado a automatizar las operaciones secuenciales propias de un proceso productivo. Es por ello una herramienta valiosísima para automatizar muchos de los procesos de todo tipo de industrias: mecánicas, electrónicas, confección, del papel, químicas, etc. Su carácter programable le confiere una gran flexibilidad de uso, adaptándose a los cambios de métodos, medios de producción, e incluso a los cambios de productos. Y dado que los lenguajes de programación de los Autómatas son mucho más sencillos que los lenguajes informáticos convencionales, su empleo está al alcance de muchos técnicos sin necesidad de tener que recurrir a especialistas en Informática. En vista de todo ello, los Autómatas Programables están adquiriendo una creciente importancia, especialmente en pequeñas y medianas empresas, en las que la adopción de equipos más sofisticados no haría más que encarecer las instalaciones productivas, infrautilizándolas. El autor, profundo conocedor del tema, ofrece a lo largo de la obra, una amplia y didáctica visión de los Autómatas Programables, así como de su vasto campo de aplicaciones industriales. Tras analizar una serie de conceptos básicos, pasa a describir con detalle los distintos componentes del Autómata, así como los elementos de programación, reforzando lo expuesto con algunos ejemplos prácticos. Sin pretender confeccionar un manual para especialistas, el autor facilita los conocimientos necesarios para que el lector no iniciado disponga de elementos de juicio útiles para evaluar la bondad de estos equipos, que pueden resolver definitivamente sus diarios problemas de automatización industrial. El Editor

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Índice general

INTRODUCCIÓN ..............................................................................

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CONCEPTOS BÁSICOS ................................................................. Automatismos.............................................................................. El autómata programable industrial ........................................... Factores cuantitativos .......................................................... Factores cualitativos ................................................................ Principio de funcionamiento de autómata ................................ Nociones sobre sistemas lógicos ............................................... Sistemas de numeración ...................................................... Sistema binario ................................................................... Sistema hexadecimal ....................................................... Códigos de numeración ........................................................ Códigos binarios ................................................................. Código decimal codificado en binario - BCD ........................ Códigos alfanuméricos........................................................ Concepto de registro................................................................ Álgebra de Boole..................................................................... Leyes de álgebra de Boole ................................................ Funciones lógicas ............................................................... Sistemas combinacionales . . . ......................................... Sistemas secuenciales .....................................................

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COMPONENTES DEL AUTÓMATA .................................................. Introducción ............................................................................. La Unidad central de proceso .................................................. Procesadores ....................................................................... Memoria ............................................................................... Sistema de entradas/salidas....................................................... Entradas/Salidas discretas...................................................... Módulos de entradas............................................................... Módulos de salidas .............................................................. Entradas/Salidas numéricas .................................................... Entradas/Salidas analógicas ................................................ Entradas/Salidas de códigos numéricos .............................. Entradas/Salidas especiales ............................................... Entradas de termopar ......................................................... Controlador de motor paso-paso ...................................... Servo-controlador ............................................................. Módulos de control PID ....................................................... Módulo ASCII ...................................................................... Entrada/Salidas remotas ..................................................

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Equipos de programación y periféricos ................................ Equipos de programación .................................................... Consolas de programación CRT......................................... Equipos periféricos ............................................................. Unidad de diálogo y test .................................................. Otros periféricos .............................................................. Conexión de periféricos ...................................................... EIA RS-232C .................................................................... EIA RS-422......................................................................... Bucle de corriente-20 mA ................................................

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ELEMENTOS DE PROGRAMACIÓN ............................................. Introducción ............................................................................. Conjunto de instrucciones del autómata .................................. Instrucciones de funciones lógicas ..................................... Instrucciones de temporizador y contaje ................................ Instrucción de temporización .......................................... Instrucción de contaje ...................................................... Instrucciones aritméticas ...................................................... Instrucciones de manipulación de datos ............................... Instrucciones de tratamiento de datos ................................ Instrucciones de control del ciclo de ejecución .................... Instrucciones de comunicación............................................... Lenguajes de programación ................................................... Lenguaje de esquema de contactos (Ladder diagram) .... Lenguajes booleanos ......................................................... Ejemplos de programa de aplicación...................................... Instrucción de temporización como base de tiempos .... Instrucción de desplazamiento (Shift) .................................. Metodología de programación ................................................. Ejemplo de análisis de una tarea de control ....................... Descripción ...................................................................... Algoritmo de control ......................................................... Requerimientos del equipo de control .............................. Esquemas lógicos ........................................................... Asignación de direcciones de E/S....................................... El GRAFCET ............................................................................ Documentación de programas .............................................

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APLICACIÓN DEL AUTÚMATA PROGRAMABLE ........................ Introducción ............................................................................. Selección del autómata .............................................................. Factores cuantitativos ......................................................... Entradas/salidas .............................................................. Tipo de control ................................................................. Memoria ........................................................................... Software.............................................................................. Periféricos........................................................................... Físicos y ambientales ...................................................... Factores cualitativos ............................................................... Ayudas al desarrollo del programa......................................

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Fiabilidad del producto ...................................................... Servicios del suministrador .................................................. Normalización en planta ................................................... Configuración, instalación y puesta a punto ......................... Configuración del autómata programable .............................. Instalación ............................................................................ Situación de los componentes ............................................. Cableado ............................................................................ Puesta a tierra ..................................................................... Circuitos de seguridad ...................................................... Circuito de los dispositivos de E/S ..................................... Alimentación ...................................................................... Consideraciones sobre la instalación de E/S ........................ Puesta a punto ........................................................................ Identificación y resolución de averías ....................................... Inspección periódica de la Unidad Central y E/S ................... Inspección periódica del armario ............................................ El entorno del autómata. Comunicaciones ................................ Repaso a algunas aplicaciones en la industria ........................ Sector de plásticos y vulcanizado ........................................ Sector químico y petroquímico ............................................. Producción y control de energía ........................................... Sector metalúrgico.................................................................. Sector papelero y madera ..................................................... Sector del vidrio ................................................................... Manipulación de materiales .................................................... Sector del automóvil ............................................................. Maquinaria .............................................................................. Ejemplos de aplicación ............................................................ Ejemplo 1: Línea de metalizado.............................................. Ejemplo 2: Túnel de lavado de coches ................................ Ejemplo 3: Planta de carrocerías de automóvil .................... Ejemplo 4: Transporte de mineral de hierro ........................

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Introducción

INTRODUCCIÓN Una determinada empresa industrial, como productora de bienes, se halla sometida aun entorno altamente competitivo no sólo en cuanto que sirve al mercado estatal, sino en cuanto a que extiende su actividad en el ámbito internacional. Para crecer, o aún para subsistir, se ve en la necesidad de adaptarse con rapidez a las exigencias del mercado, intentando adelantarse a sus competidores; es un entorno cambiante en el que la planificación necesaria se hace tanto más difícil cuanto más amplio es el horizonte temporal que contempla. Hasta ahora la automatización de máquinas y procesos ha permitido mejorar la productividad, la disminución de costes, y la mejora de lá calidad de los productos. Pero esto no es suficiente cuando, por ejemplo, un producto no obtiene el éxito esperado o su ciclo de vida resulta acortado por la aparición de un producto sustitutivo. De ello se derivan unos costes que no han podido ser absorbidos por la automatización tradicional. La revolución de la información, ha propiciado un nuevo enfoque por el que la producción se contempla como un flujo del material a través del sistema productivo y que interacciona con todas las áreas de la empresa. La tecnología disponible hace posible el concepto de Automatización Integrada —CIM— (Computer Integrated Manufacturing), que persigue los siguientes objetivos entre otros posibles: — Reducir los niveles de stock y aumentar su rotación. — Disminuir los costes directos. — Control de los niveles de stock en tiempo real. — Reducir los costes de material. — Aumentar la disponibilidad de las máquinas mediante la reducción de los tiempos de preparación y puesta a punto. — Incrementar la productividad. — Mejorar el control de calidad. — Permitir la rápida introducción de nuevos productos. — Mejorar el nivel de servicio. Los equipos de control inteligentes como los robots, los controles numéricos, los equipos de soldadura, los autómatas programables, etc. que se hallan formando parte de las llamadas islas de automatización, deben integrarse en un único sistema de control en el que deben intercambiar información entre sí, y con los sistemas informáticos de las otras áreas de la empresa. Para ello se realizan esfuerzos de normalización en el campo de las comunicaciones, como es el MAP (Protocolo para la Auto7

Autómatas programables

matización de la Producción), que permitirán la incorporación de equipos de distintos fabricantes, con distintos requerimientos de transmisión de datos, a un único entorno de comunicaciones. Un proyecto de automatización integrada requiere una elaboración muy detallada, y precisa de la participación de personas con responsabilidad en distintas áreas del proceso productivo.

Un proyecto de Automatización Integrada requiere una elaboración muy detallada que defina las necesidades actuales y los objetivos de la empresa. Si el proyecto está bien definido podrá empezar por la automatización de áreas de producción bien determinadas para la posterior integración, lo que será de particular interés para las empresas ya establecidas que persiguen su modernización. Para el éxito del proyecto, es importante que personas con responsabilidad en las distintas áreas del sistema de producción participen en su elaboración. No hay que olvidar que no hay nadie que conozca mejor el proceso de producción, o el producto, que quien lo produce. Por esta razón, es interesante que aquellos que de alguna forma intervienen en las decisiones y acciones que afectan al proceso productivo, adquieran un conocimiento sobre los equipos que la tecnología actual pone a disposición de la Automatización Integrada. El AUTÓMATA PROCRAMABLE INDUSTRIAL es uno de esos equipos, y por ello, es UN EQUIPO QUE VALE LA PENA CONOCER.

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Conceptos básicos

AUTOMATISMOS La automatización de una máquina o proceso consiste en la incorporación de un dispositivo tecnológico que se encarga de controlar su funcionamiento. El sistema que se crea con la incorporación del dispositivo, denominado genéricamente automatismo, es capaz de reaccionar ante las situaciones que se presentan, ejerciendo la función de control para la que ha sido concebido. En la figura 1 se presenta un esquema funcional del sistema resultante de la automatización. Figura 1. Esquema funcional de un sistema automatizado.

La información de que se sirve la Unidad de Control es recogida por un conjunto de elementos denominados captadores, que la preparan o transforman adecuadamente. Esta información que se recoge es resultante de una serie de cambios físicos que tienen lugar como consecuencia de la función para la que se diseñó la máquina o proceso. Por otra parte la Unidad de Control genera unas órdenes que se transmiten a la máquina o proceso a través de accionadores o actuadores; los accionadores transforman las órdenes recibidas en magnitudes o cambios físicos en el sistema mediante una aportación de potencia. En definitiva se trata de un sistema en lazo cerrado, en el que existe un continuo flujo de información, desde la máquina o proceso a la Unidad de 9


Control, y desde ésta a aquél. La información recibida en la Unidad de Control se trata y elabora según el algoritmo de control del sistema, del que se obtienen las acciones que conducirán el funcionamiento de la máquina o proceso. Además la Unidad de Control es capaz de proporcionar información ya elaborada sobre el estado y evolución del sistema, al operador del mismo. Por otra parte el operador puede intervenir en el desarrollo del control mediante las consignas que modifican los parámetros del algoritmo de control, o puede tomar el mando total pasando el sistema a control manual. Son factores fundamentalmente económicos los que causan la aparición de los automatismos, e impulsan su desarrollo, apoyados en la evolución de la tecnología. En un entorno altamente competitivo se trata de conseguir: — Alcanzar un nivel de calidad constante. — Producir las cantidades necesarias en el momento preciso. — Mejorar la productividad y disminuir los costes. — Adaptarse con facilidad y en breve tiempo a los cambios del mercado (nuevos productos). La evolución tecnológica ha permitido la realización de automatismos cada vez más complejos. El nivel de automatización no ha dejado de elevarse, desde las primeras y elementales funciones de vigilancia o enlace en operaciones generalmente conducidas por el operador a nivel máquina, pasando por el control total de una máquina compleja, hasta llegar al completo control de un proceso productivo. La evolución tecnológica ha permitido la realización de automatismos cada vez más complejos, hasta llegar al completo control de un proceso de producción.

Las tecnologías empleadas en la automatización pueden clasificarse en dos grandes grupos: tecnologías cableadas y tecnologías programadas o programables, citadas en su orden de disponibilidad cronológica (figura 2). Los automatismos cableados se realizan a base de uniones físicas de los elementos que constituyen la Unidad de Control. La forma en que se establecen dichas uniones se determina por la experiencia o por un planteo teórico empleando las ecuaciones lógicas o de Boole. Los circuitos o esquemas serán aplicables a dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos. La tecnología cableada ha sido, y es, extensamente empleada en la industria, pero presenta ciertos inconvenientes: — — — —

En general ocupa mucho espacio. Poca flexibilidad ante modificaciones o ampliaciones. Es difícil la identificación y resolución de averías. No están adaptados a funciones de control complejas.

La disponibilidad de equipos programables (ordenadores), cuya capacidad de tratamiento de la información estaba probada en aplicaciones de cálculo y gestión, inició la aplicación de la tecnología programable en el medio industrial. Los miniordenadores se aplicaron allí donde la cantidad de información y la complejidad del algoritmo de control hacían extremadamente complicado el empleo de equipos cableados; un campo particularmente propicio fue el de la industria de proceso (química, petroquímica, etc.). A principios de la década de los 70 un nuevo dispositivo programa10

Conceptos básicos

ble, el AUTÓMATA PROCRAMABLE INDUSTRIAL empezó a aplicarse con éxito, paralelamente a la difusión de la tecnología del microprocesador. De hecho, el Autómata aparecía como alternativa a la aplicación de los equipos informáticos en la industria ya que éstos, si bien paliaban los inconvenientes de las técnicas cableadas, aportaban una nueva problemática para su empleo generalizado en el control industrial: — Poco adaptados a las condiciones del medio industrial. — Requerían personal informático para la programación. — Costo elevado del equipo. — Requerimiento personal especializado para mantenimiento. Por otra parte la introducción de los microordenadores aportaba una disminución del coste del equipo haciendo posible la aplicación de un equipo informático en aplicaciones relativamente pequeñas, pero todavía adolecía de la problemática de adaptación al medio industrial y la necesidad de especialistas para su aplicación y mantenimiento. EL AUTÓMATA PROGRAMABLE INDUSTRIAL A mediados de la década de los 60 la empresa General Motors, preocupada por los costes elevados que implicaban los sistemas de control a base de relés debido a los tiempos de parada por averías y a su poca flexibilidad para adaptarse a las necesidades de producción de nuevos modelos, estaba trabajando con la empresa Digital Corporation C. para obtener un sistema de control que respondiera a los siguientes requerimientos: — Debía emplear electrónica estática. 11

Figura 2. Diagrama de las tecnologías de automatización.


— Adaptación al medio industrial, es decir, a las condiciones ambientales del taller de producción. — Debían ser programables en un lenguaje asequible al personal de operación y de mantenimiento de la planta. — De fácil mantenimiento. — Debían ser reutilizables. Según R.E. Moreley, considerado el "padre" de los Autómatas Programables, fue una casualidad que ellos, la firma Bedford Associates Inc., desarrollaran un producto que respondía a las especificaciones anteriores, ya que no habían tenido contacto con G.M. que posteriormente sería su primer cliente. De hecho la colaboración entre G.M. y Digital dio lugar a un equipo denominado PDP-14 que en definitiva resultó un sistema programado (memoria cableada); el programa se desarrollaba en un ordenador que proporcionaba el esquema de cableado con que se construía la memoria. El Autómata se mostró particularmente adaptado para la automatización de las cadenas de montaje, es decir, para el control de procesos secuenciales.

El primer Autómata trabajaba con una memoria de ferritas, por tanto fácilmente reprogramable, y superaba las exigencias de G.M.; no tardó en extenderse su empleo a otras industrias. El Autómata nació como sustituto de los armarios de relés y se mostró particularmente adaptado al control en las cadenas de montaje, es decir, en los procesos secuenciales. Para facilitar su programación y mantenimiento por parte del personal de planta, el lenguaje empleado era el de las ecuaciones de Boole y posteriormente el esquema de contactos. Las características mencionadas se resumen en la siguiente definición:

El Autómata Programable Industrial es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar, en tiempo real y en ambiente industrial, procesos secuenciales.

No obstante, el concepto de producto que se desprende de la anterior definición ha quedado hoy superado por la evolución del producto, paralela al desarrollo de los microprocesadores, extendiéndose sus aplicaciones al campo del control de procesos que requieren operaciones de regulación, cálculo, manipulación y transmisión de datos tal como se recoge en el gráfico de la figura 3. La evolución seguida por el Autómata Programable se puede sintetizar en las etapas que se describen a continuación: 1) Los primeros equipos aparecen en 1968, emplean memoria de ferritas y un procesador cableado a base de circuitos integrados para construir la Unidad Central. Su aplicación se centra en la sustitución de maniobras de relés que controlan máquinas o procesos típicamente secuenciales (máquinas o líneas de montaje, cadenas de transporte, distribución, y almacenamiento de material). 12

Conceptos básicos

2) En la primera mitad de la década de los 70 incorporan la tecnología de microprocesador lo que permite aumentar sus prestaciones: — Incorporación de elementos de interconexión hombre-máquina. — Manipulación de datos. — Operaciones aritméticas. — Comunicación con ordenador. Su aplicación aumenta las prestaciones de la máquina ya que con la capacidad de tratamiento numérico el Autómata puede desarrollar acciones correctivas en curso de funcionamiento. Figura 3. Gráfico de evolución del campo de aplicación del Autómata Programable Industrial.

3) La segunda mitad de la década de los 70 se caracteriza por una constante mejora de prestaciones y el desarrollo de elementos especializados: — Incremento de la capacidad de memoria. — Posibilidad de entradas/salidas (E/S) remotas. — E/S analógicas y numéricas. Control de posicionamiento. — Mejoras en el lenguaje de programación (instrucciones potentes). — Desarrollo de las comunicaciones con periféricos y ordenador. Sus aplicaciones se extienden al control de procesos, al poder efectuar lazos de regulación trabajando con dispositivos de instrumentación. En esta etapa, el Autómata desarrolla el control adaptativo sin intervención del operador. Otros campos de aplicación son el posicionamiento mediante entradas lectoras para codificadores y salidas de control de motores paso-paso, la generación de informes de producción, y además el empleo de redes de comunicación. Por otra parte la disponibilidad de E/S remotas aporta una considerable reducción de costos en grandes instalaciones. 4) En la década de los 80 se han incorporado masivamente los avances de la tecnología de microprocesadores consiguiendo: 13


— Alta velocidad de respuesta (ciclo de ejecución). — Reduccción de las dimensiones, particularmente por la mayor densidad en las agrupaciones de circuitos de entrada/salida. — E/S inteligentes (servocontroladores, controladores PID). — Mayor capacidad de diagnósticos de funcionamiento. — Capacidad de almacenaje de grandes cantidades de datos. — Mejoras en el lenguaje: instrucciones de bloque, instrucciones de cálculo matemático con datos en notación de coma flotante. — Lenguajes alternativos: Lenguaje de bloques funcionales, lenguajes de diagrama de fases (GRAFCET), y lenguajes de alto nivel (tipo BASIC). También en estos últimos años han aparecido equipos pequeños y compactos que, junto con la reducción de los precios, ha hecho que la aplicación se extienda a todos los sectores industriales. Los fabricantes han desarrollado familias de productos que comprenden equipos desde 10 entradas/salidas, hasta grandes controladores capaces de gobernar hasta 10.000 E/S y memorias de 128 K. El campo de aplicación cubre desde el mínimo nivel de automatización de una secuencia de enclavamientos, hasta el control completo de un proceso de producción continua. Con este gran abanico de posibilidades se hace necesario establecer una forma de identificación al referirnos a los distintos tipos de Autómata. Con los equipos hoy disponibles se puede hacer la siguiente clasificación, en función de: Factores cuantitativos — Equipos pequeños: hasta 128 E/S; memoria de 1 a 4 K. — Equipos medianos: 128 < E/S<500; memoria hasta 32 K. — Equipos grandes: más de 500 E/S; memoria hasta 128 K. Factores cualitativos — Nivel 1: Control de variables discretas y numéricas, operaciones aritméticas, y comunicaciones a nivel elemental. — Nivel 2: Control de variables discretas y numéricas, operaciones matemáticas y manipulación de gran cantidad de datos. Empleo de E/S inteligentes y comunicaciones transparentes procesador-procesador o en red. El Autómata Programable Industrial es una máquina electrónica digital programable, constituida por dos elementos básicos: La Unidad Central de Proceso (CPU) y el Sistema de Entradas y Salidas (E/S).

El Autómata Programable Industrial es una máquina electrónica digital programable que está constituida por dos elementos básicos: — La unidad Central de Proceso (CPU). — El sistema de Entradas y Salidas (E/S). Con estos dos elementos, el equipo ya es operativo sobre la máquina o proceso a controlar, pero existen otros componentes que aunque no forman parte del Autómata como equipo, son necesarios para su aplicación. Estos componentes, generalmente denominados periféricos, son los equipos de programación, las unidades de diálogo y test, las impresoras, los visualizadores, terminales, etc. También pueden formar parte del sistema de control del Autómata, otros autómatas, equipos de control numé14

Conceptos básicos

rico (CNC), robots, y ordenadores. Este conjunto de equipos definen el entorno del Autómata como se representa en la figura 4. La Unidad Central de Proceso, que se considera formada por el procesador y la memoria, es la inteligencia del sistema y se encarga de realizar las tareas de control interno y externo mediante la interpretación que el procesador hace de las instrucciones o códigos de operación almacenados en la memoria, y los datos que obtiene de las entradas y que genera hacia las salidas. Figura 4. Esquema de bloques del entorno del Autómata. Programable Industrial.

El Sistema de Entradas y Salidas se encarga de adaptar la tensión de trabajo de los dispositivos de campo a la tensión con que trabajan los circuitos electrónicos del Autómata y proporciona el medio de identificación de esos dispositivos ante el procesador. Como equipo electrónico constituido por circuitos que trabajan con niveles de tensión bajos, de 5 Vcc en general, en su diseño y fabricación se tiene en cuenta que deben trabajar en ambiente industrial, lo que significa condiciones adversas por la existencia de vibraciones, choques, humedad, temperatura no controlada, y perturbaciones eléctricas producidas por la interferencia electromagnética (EMI) debida a la conmutación de grandes cargas, y la interferencia de radiofrecuencia (RFI). Los fabricantes no han cesado en la mejora del producto para reducir la posible problemática causada por esas condiciones, y aumentar al máximo la fiabilidad del Autómata. Para ello, en el diseño y fabricación, se siguen entre otros los siguientes procedimientos: — Selección de componentes electrónicos de alta calidad. — Dimensionado de los equipos para condiciones extremas de trabajo: tests de EMI y RFI, test de acoplamiento electrostático, test Landis de interferencias, entre otros. 15


— Comprobación de los componentes, mediante ordenador, previo a su montaje. — "Burn-in" de todos los circuitos integrados. — Métodos de montaje automatizados. — Prueba controlada por ordenador de todos los subconjuntos funcionales y de los módulos. — Pruebas de temperatura, con ciclos térmicos, de los equipos acabados. En cuanto a la seguridad en curso de funcionamiento, todos los Autómatas incorporan una serie de comprobaciones y ayudas al diagnóstico y seguridades funcionales: — Operaciones de autodiagnóstico del procesador. — Comprobación constante del sistema de E/S. — Separación, mediante acopladores ópticos, de los circuitos lógicos y de los de potencia. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE AUTÓMATA Anteriormente, se ha señalado que en los sistemas con tecnología cableada, las ecuaciones de control (circuitos lógicos), se realizan mediante uniones físicas entre los componentes, contactos de relé, resistenciatransistor, circuitos integrados, etc.). En esta tecnología, el tratamiento de la información que se lee del proceso, tiene lugar simultáneamente, es decir, en paralelo. Los estados de las variables se combinan entre sí y con las variables internas, de forma simultánea en todos los circuitos que realizan las ecuaciones lógicas del sistema, tal como se representa de forma esquemática en la figura 5. Figura 5. En una lógica cableada, el tratamiento de la información se hace en paralelo.

Los equipos programables emplean un procesador binario que es capaz de interpretar una serie de códigos o instrucciones que especifican las acciones a realizar en función del estado de las variables del sistema. El procesador puede interpretar una sola instrucción en cada instante, aun16

Conceptos básicos

que lo hace a gran velocidad (microsegundos); esta forma de actuar introduce el concepto de tratamiento secuencial de la información, que se ilustra en la figura 6. Figura 6. Los sistemas programables emplean un procesador binario por lo que el tratamiento de la información se hace de forma secuencial.

El procesador almacena el estado de las entradas al sistema en una memoria denominada "tabla de E/S", para su posterior empleo durante la resolución de las instrucciones del programa. En el Autómata las instrucciones se almacenan en una memoria, que recibe el nombre de memoria de programa. El procesador recoge los estados de las señales de entrada y los almacena en otra memoria denominada tabla de E/S, para su posterior empleo. Inicia entonces el acceso una tras otra a las instrucciones, que especifican un operando (variable) y la operación lógica a efectuar; en el curso de esta escrutación de la memoria de programa se obtienen los resultados de las ecuaciones lógicas del sistema, y van siendo almacenados también en la tabla de E/S. Una vez finalizada la lectura del programa, tiene lugar la "actualización" de estados de E/S para lo que se transfieren a las salidas los resultados obtenidos de la escrutación de instrucciones, y se vuelven a almacenar los estados de las entradas. Tal como se indica en la figura 7, este proceso se repite de forma indefinida mientras el equipo esté operativo. Así pues, en un Autómata Programable existe un tiempo de respuesta (milisegundos), cuya magnitud es función de la cantidad y complejidad de las instrucciones que forman el programa y de la velocidad con que se ejecutan; durante la resolución del programa "el equipo ignora la evolución externa de la máquina o proceso". En ciertas aplicaciones de evolución muy rápida esto puede llegar a ser un problema ya que llegará a perderse alguna información, y en consecuencia puede darse un funcionamiento anómalo. NOCIONES SOBRE SISTEMAS LÓGICOS Los sistemas lógicos, o los sistemas electrónicos digitales como el Autómata Programable Industrial, actúan dependiendo de variables discre17


Figura 7. Esquema simplificado del ciclo de trabajo del Autómata.

tas, es decir variables que pueden adquirir un número finito de valores. La facilidad de obtención de elementos físicos con dos estados diferenciados hace que se empleen variables discretas de dos estados o variables binarias. El Autómata debe controlar procesos industriales en los que se manejan variables discretas binarias, pero también debe realizar operaciones numéricas y transferir esos números (datos) a otros sistemas binarios. Los números o cantidades pueden expresarse según distintos sistemas de numeración; el que se emplea de forma cotidiana es el sistema decimal, o de base diez, que utiliza diez símbolos, del 0 al 9. En los sistemas binarios o digitales se trabaja con variables de dos estados, y para la representación de números se dispone sólo de dos símbolos, el 0 y 1. Sistemas de numeración Sistema binario Emplea dos símbolos, 0 y 1, que reciben el nombre de bit (elemento binario), por tanto se trata de un sistema de base dos. Cualquier cantidad se puede representar en este sistema mediante una combinación de ceros y unos, de acuerdo con la expresión: siendo a, un número del sistema (0 o 1). Así por ejemplo, el número 14 en decimal, se expresará como:

y por tanto el número en binario es: 1 1 1 0 18

Conceptos básicos

Sistema hexadecimal Este sistema de numeración emplea la base dieciséis, es decir, dieciséis símbolos para la representación: los números del 0al 9, y las letras de la A a la F. Su interés reside en que dieciséis es una potencia de dos, y la conversión entre el sistema binario y hexadecimal resulta muy simple. Para la introducción de datos en un sistema de tratamiento digital de la información es más cómodo emplear el formato hexadecimal, ya que emplea menor cantidad de símbolos que el binario para representar un número, que luego son convertidos de forma inmediata por el sistema a los números binarios con los que opera. Así por ejemplo, el número 127 en base diez corresponde a: 127 = 01 1 1 1 1 1 1 127 = 7 F

Sistema binario Sistema hexadecimal

Códigos de numeración Un código es una representación de las cantidades de forma que a cada una de ellas se le asigna una combinación de símbolos del sistema de numeración empleado, y viceversa. Códigos binarios El sistema binario de numeración constituye en sí un código que se denomina código binario natural. Este código es el empleado en los equipos digitales de cálculo. Pero existen otros códigos binarios como el código Gray, que se emplea, por ejemplo, en los codificadores absolutos de posición, debido a que de un número al siguiente sólo cambia un bit (en el binario natural pueden cambiar simultáneamente todos los bits), lo que evita lecturas erróneas. Código decimal codificado en binario - BCD Dado que la información que se trata en un sistema digital debe ser finalmente convertida al sistema decimal para que pueda ser interpretada Tabla 1. Código decimal codificado en binario (BC).

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fácilmente, se ha desarrollado el código BCD, en el que cada símbolo del número decimal se codifica directamente en binario. Así, para expresar cada uno de los diez símbolos del sistema decimal se emplean cuatro bits, con lo que de las dieciséis posibles combinaciones sólo se emplean diez tal como se muestra en la tabla 1. En la figura 8 se muestra la forma de codificar en BCD el número decimal 2458. Figura 8. Equivalencia entre una cantidad expresada en el código de numeración decimal, y la correspondiente expresión en el Decimal Codificado Binario-BCD.

Un registro es un soporte tecnológico capaz de almacenar información binaria proporcionada por un conjunto ordenado de bits, que puede corresponder a una variable numérica o a los estados de variables discretas.

Códigos alfanuméricos Mediante los códigos antes descritos, sólo es posible representar números o cantidades: en los sistemas de control y de proceso de datos es necesario representar también información alfabética o de símbolos especiales, lo que ha dado lugar a la aparición de códigos alfanuméricos. El más difundido, y definido como código internacional, es el ASCII (American Standard Code for Information Interchange), que se emplea en la transmisión de datos a unidades periféricas. El código emplea ocho bits para definir información numérica, alfabética, símbolos y un conjunto de caracteres de control (instrucciones) para el diálogo entre el sistema digital y los periféricos. En la tabla 2 se recoge el código ASCII de representación alfanumérica. Concepto de Registro Se entiende por registro un soporte tecnológico capaz de almacenar la información binaria proporcionada por un grupo ordenado de bits. En un sistema binario la información del registro puede interpretarse como una variable numérica, si se considera la combinación de los bits (código binario natural que representa una cantidad), o bien como información del estado de variables discretas del sistema si se consideran los bits individua20

Conceptos básicos

Tabla 2. Código alfanumérico ASCII de ocho bits.

les. En general, los registros suelen agrupar 8, 16, o 32 bits. Tal como se muestra en la figura 9 el registro implica un número de orden para la identificación de cada uno de los bits que agrupa. En el caso de información numérica la codificación se interpreta de Figura 9. Representación de un registro de ocho bits conteniendo una información binaria y su distinta interpretación en función del código empleado.

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derecha a izquierda empezando por el bit de menor peso o menos significativo, hasta el de mayor peso o más significativo. Para el registro de la figura 9, la información numérica representada corresponde a: en el código binario natural. Si el código es BCD, representaría el número decimal 29. Algebra de Boole El álgebra de Boole es un ente matemático que define las leyes de relación entre un conjunto de variables discretas, es decir, que tienen estados perfectamente definidos y diferenciados, que se representan mediante los símbolos 0 y 1. La interrelación de las variables se fundamenta en dos operaciones denominadas suma (+) y producto (.) que cumplen los siguientes postulados: a) Las operaciones son conmutativas, A+B = B + A

;

A.B = B.A

b) Existen elementos neutros, 0 y 1, para cada operación, 0+A=A

;

1.B = B

c) Cada operación es distributiva respecto a la otra, d) Para cada variable A se puede definir una variable A tal que, postulado que introduce la variable inversa o complemento. Son varios los conjuntos de variables que se ajustan a los postulados Figura 10. Representación de la operación suma lógica (+), mediante circuito de contactos y su tabla de la verdad.

22

Conceptos básicos

anteriores; el de los circuitos de conmutación o lógicos es uno de ellos y ha sido profusamente empleado en los circuitos de contactos de relés. En estos el estado o valor o corresponde al contacto abierto y el estado 1 al contacto cerrado. Se considera una variable resultado o de salida, que adquiere el valor 1, cuando existe circulación de corriente en el circuito de contactos, y valor 0 cuando el circuito está interrumpido (circuito abierto). Las ecuaciones de álgebra de Boole se pueden expresar en forma de tabla de la verdad en donde se representan los distintos estados que pueden adquirir las variables de la ecuación y el estado de la variable de salida que les corresponde. En la figura 10 se muestra la operación suma (+) de dos variables mediante el circuito de contactos de relé y su tabla de la verdad. En la figura 11 se representa la realización mediante circuito de contactos de la operación producto (.) y la tabla de la verdad correspondiente. Figura 11. Representación de la operación producto lógico (.), mediante circuito de contactos y su tabla de la verdad.

La relación entre variables discretas de un álgebra de Boole, se puede expresar mediante una "tabla de la verdad", en la que se representan los distintos estados de las variables (entradas) y el que corresponde a la variable dependiente (salida). La variable inversa tiene también su expresión en la tabla de la verdad y su realización en circuito de contactos, como se muestra en la figura 12. Leyes de álgebra de Boole Definen la relación entre variables discretas y pueden emplearse en el desarrollo y simplificación de circuitos lógicos; cualquier operación con las variables discretas debe estar de acuerdo con estas leyes. 1. Ley conmutativa, que corresponde al primer postulado A+B = B+A

;

A.B = B.A

2. Ley asociativa,

23


3. Ley distributiva, que corresponde al segundo postulado

4. Ley de la absorción, 5. Leyes de De Morgan,

Figura 12. Representación de la operación complemento mediante circuito de contactos y su tabla de la verdad.

Funciones lógicas Una función del álgebra de Boole o función lógica es una variable binaria (discreta o lógica), cuyo valor depende de una expresión algebraica que relaciona entre sí variables binarias mediante los operadores lógicos. Las funciones básicas son aquellas que relacionan dos variables mediante los operadores fundamentales (+) y ( . ) y la operación inversión; estas funciones tienen una representación gráfica propia, reconocida internacionalmente (CEI), que se representa en la tabla 3. También reciben los nombres de función Y o AND (serie) para el producto (.), función O u OR (paralelo) para la suma (+), y función NO o NOT (complemento) para la inversión. El estado de una determinada variable puede ser expresado como función lógica de las variables de que depende adquiriendo la forma de una ecuación de Boole en la que se combinan mediante los operadores fundamentales. 24

Conceptos básicos

Tabla 3. Funciones elementales del álgebra de Boole.

En la expresión existe un orden de prioridades inversión (NO), producto (Y), y suma (O), por lo que en caso de duda se emplearán paréntesis y corchetes para definir correctamente las operaciones. Es evidente que la función F = A + B . C no conduce al mismo resultado que F = (A + B). C, ya que la primera se considera como F = A + (B . C). En la figura 13 se representa mediante símbolos CEI y circuito de contactos la función F = (X1 + Y1) . X2 . Figura 13. Representación de la variable Y1, según las ecuaciones de Boole, el circuito de contactos, y los símbolos CEI.

Se observará que en el circuito de contactos, la forma de expresar la función inversión de la variable X2 es su representación por un contacto normalmente cerrado ( X2 ). 25


Sistemas combinacionales

Son sistemas de variables discretas en los que los estados de las variables de salida dependen en cada instante del estado de las variables de entrada. El sistema puede representarse mediante un conjunto de funciones lógicas de las variables de entrada que definen el estado de las salidas. En la figura 14 se muestra la representación mediante circuito de contactos y símbolos CEI del sistema combinacional correspondiente a la función lógica Y1 =(X1 . X2) + X3.

Figura 14. Representación de la variable Y1 función de un sistema combinacional.

En los sistemas secuenciales se introduce la variable temporal; el estado que adquieren las salidas del sistema en un instante determinado depende también de los estados del sistema en instantes anteriores.

Sistemas secuenciales

Los sistemas combinacionales no tienen en cuenta la variable tiempo, ya que las salidas dependen sólo de los estados de las entradas. Pero son muchos los sistemas de variables discretas que precisan almacenar los estados de las entradas en un instante determinado para utilizarlo posteriormente cuando se produce algún cambio en esos estados. Los sistemas secuenciales son capaces de almacenar los estados de las entradas, o combinaciones de éstos, convirtiéndolos en variables internas del sistema. Ahora, el estado de las salidas no sólo depende del estado de las entradas en un instante determinado, sino también del estado de las variables internas, es decir, del estado de las entradas en instantes anteriores. En la figura 15 se ilustra un sistema secuencial elemental que corresponde al bien conocido circuito de "marcha-paro"; la ecuación que le corresponde es Y1 =(X1 + Y1) . X2 , en donde X1 corresponde a la orden de "marcha" y X2 a la orden de "paro". El sistema emplea la variable interna Y1 que corresponde al estado de la propia salida. Los sistemas secuenciales también admiten su expresión en una tabla de la verdad, en la que intervienen las variables internas. 26

Conceptos básicos

Figura 15. Representación de la variable Y1 función de un sistema secuencial, mediante circuito de contactos y su tabla de la verdad.

Los sistemas secuenciales reciben su nombre del hecho de que reaccionan de forma determinada a las secuencias de cambios de estado de las entradas, y por tanto son también sistemas automáticos o autómatas.

27

Componentes del autómata

INTRODUCCIÓN

Los equipos que responden al concepto de Autómata Programable Industrial, se presentan en diversas formas de construcción física y organización interna, pero en todas ellas se distinguen dos grandes grupos de componentes: la Unidad Central de Proceso (CPU), y el Sistema de Entradas/Salidas (E/S). Estos elementos se complementan con el conjunto de equipos de programación y periféricos. En los siguientes párrafos se hace una descripción de las características funcionales de los distintos componentes que pueden formar parte del Autómata.

Figura 16. Autómatas programables, y sus periféricos de programación.

LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

La Unidad Central de Proceso de un Autómata comprende esencialmente dos componentes: el procesador y la memoria. La forma constructiva con que se presentan varía desde un módulo único (incluye procesador y memoria), pasando por un módulo procesador y un módulo de memoria, hasta un formato de rack o armario. En algunos modelos la unidad incorpora la fuente de alimentación, y en los miniautómatas suele incluir también parte del sistema de E/S. Bajo el aspecto funcional, la Unidad Central de Proceso es el corazón del Autómata, realizando todas las tareas de control, tanto en lo que se refiere a adquisición de información y gobierno de los accionadores del proceso a controlar, como en lo que atañe a funciones internas de vigilancia del adecuado funcionamiento de los componentes del equipo. 29

La Unidad Central de Proceso ejerce el control de todas las tareas del Autómata, tanto en lo que se refiere a la adquisición de información y bogierno del proceso, como a las funciones internas.


Figura 17. Unidad central de un autómata industrial en formato de módulo.

En las tareas que realiza la Unidad Central tiene lugar un intercambio continuo de información entre los distintos componentes de la misma: Procesador. Encargado de la adquisición y actualización de los estados de las entradas y salidas, en base a la interpretación de las instrucciones de la memoria de programa, o de usuario, y funciones internas. Memoria. Almacena las instrucciones del programa, estados de E/S, estados internos y datos. Interconexión de E/S. Establece la comunicación efectiva entre la Unidad Central y el Sistema de E/S. Interconexión a periféricos. Establece la comunicación efectiva entre la Unidad Central y los equipos periféricos de programación.

En la figura 18 se representa en esquema de bloques los componentes principales de la Unidad Central de Proceso de un Autómata. Procesadores

En los Autómatas actuales, el procesador lo constituyen una o varias placas de circuito impreso, en donde alrededor de un microprocesador se agrupan una serie de circuitos integrados (chips), principalmente memo30


rías. En esas memorias el fabricante ha grabado una serie de programas ejecutivos denominados firmware, destinados a que el microprocesador realice las tareas propias de procesador del Autómata, es decir:

Figura18. Esquema de bloques de un Autómata basado en microprocesador.

— Adquisición y actualización de estados de las señales de entrada y salida. — Interpretación de las instrucciones del programa de usuario. — Vigilancia y diagnóstico del funcionamiento del equipo. — Comunicaciones con periféricos. En la placa del procesador puede estar la totalidad o parte de la memoria Figura 19. Representación de una Unidad Central en ejecución tipo rack, con fuente de alimentación incorporada, y espacio para módulos de E/S.

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El procesador ejecuta el programa de aplicación de una forma cíclica y al final de cada ciclo se efectúa la actualización de E/S; por tanto el Autómata tiene un tiempo de respuesta que corresponde al tiempo del ciclo de ejecución.

del sistema, y dependiendo del diseño, los circuitos de interconexión al sistema de E/S y de comunicaciones con periféricos. En la figura 19 se ilustra una posible configuración de una Unidad Central, en este caso en formato de rack, que incorpora la fuente de alimentación del sistema; de la figura se desprende que se trata de una ejecución con procesador y memoria en un solo módulo, que además .incorpora circuitos de interconexión a E/S que pueden montarse en el mismo rack, y un módulo de expansión para la interconexión de E/S adicionales. El procesador dispone de un conmutador/selector del modo de trabajo que permite seleccionar la actividad del mismo (MARCHA, INHIBICIÓN DE SALIDAS, PROGRAMACIÓN, TEST, etc.), uno o varios canales de comunicación serie, y los indicadores de diagnóstico del sistema, que permiten la visualización del resultado de las operaciones de vigilancia del procesador (MEMORIA, BATERÍA, TEST OK, FORZADO, I/O, etc.). El procesador se comunica con los distintos componentes de la Unidad Central mediante el bus, o barra de datos, direcciones y señales de control (figura 18). Su tarea principal consiste en la lectura de las instrucciones del programa de usuario, o de aplicación, y su resolución mediante el empleo de los estados de las entradas y salidas del sistema. Esta tarea se efectúa de forma cíclica ya que por la naturaleza del procesador el tratamiento de la información se realiza de forma secuencial, es decir, instrucción tras instrucción; estas operaciones cíclicas reciben el nombre de ciclo de ejecución o escrutación del programa ( scan)

Figura 19a. Unidad central de un autómata, en formato de rack.

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que queda definido por un conjunto de operaciones y un tiempo de ejecución o de ciclo (scan time). En la figura 20 se representan las distintas formas en que pueden llevarse a cabo las operaciones que definen el ciclo de ejecución de un Autómata. Entre las instrucciones de que dispone el usuario para la programación suelen hallarse instrucciones que permiten alterar el ciclo antes descrito. Son las instrucciones de "salto condicional, salto a subrutinas o subprogramas, interrupciones, o actualización inmediata de estados de E/S". Aparte de la actualización de E/S, al final de cada ciclo, el procesador atiende a las tareas de diagnóstico interno y a las comunicaciones con periféricos. En la figura 21 se ilustra el desarrollo de un ciclo de ejecución típico de un Autómata. Por otra parte en la puesta en marcha y en la parada del sistema, el procesador ejecuta una serie de secuencias preestablecidas: — Al dar alimentación se efectúan una serie de comprobaciones internas del procesador: compobación de la memoria, comunicaciones correctas entre los componentes, etc. — Comprobación de la integridad del programa de aplicación. — Comprobación de los elementos de E/S para detectar un posible fallo en un módulo. 33

Figura 20. Distintos tipos de ciclo de ejecución del programa, a) Ciclo básico; b) Agrupación de entradas; salidas en secuencia; c) Ciclo de ejecución y adquisición de E/S independientes.


Figura 21. Secuencias típicas en el ciclo de trabajo del Autómata.

— Comprobación de la operatividad de los circuitos de comunicaciones con periféricos. — Se envía una orden al sistema de E/S para asegurar que todas las salidas están desactivadas. — Se inicia el ciclo de exploración del programa. En la parada del sistema, el procesador realiza de una forma ordenada: — Cese de la escrutación del programa. — Puesta a cero de todas las salidas, excepto aquellas variables internas que han sido seleccionadas como retentivas. El tiempo total del ciclo de ejecución lo determinan los tiempos empleados en las distintas operaciones. El tiempo dedicado al final del ciclo a la actualización de E/S y autodiagnóstico suele estar alrededor del milisegundo (1 ms) al que habrá que sumar el de atención a las comunicaciones, si éstas tienen lugar (2 a 4 ms adicionales). El tiempo de exploración del programa es variable en función de la cantidad y tipo de las instrucciones, y de la ejecución de subprogramas o saltos condicionales, pudiendo alcanzar algunas decenas de milisegundos (hasta 70 ms); el tiempo de exploración es uno de los parámetros que caracterizan a un Autómata y se expresa generalmente en milisegundos por cada mil instrucciones (ms/K). Para reducir los tiempos de ejecución algunas Unidades Centrales se construyen alrededor de dos o más procesadores dedicados a funciones específicas, operaciones lógicas, cálculos, control de E/S, etc. trabajando simultáneamente. También existe una clara tendencia a descargar el trabajo de la Unidad Central mediante la incorporación de módulos inteligentes dedicados a tareas específicas. En el curso del funcionamiento normal del equipo se realizan las siguientes funciones de diagnóstico: — Vigilancia del ciclo de ejecución. Si el tiempo de ciclo supera cierto 34


valor, el procesador detiene la ejecución del programa y realiza un chequeo completo de sus circuitos. — Comprobación de la integridad de la memoria de programa (paridad de los códigos de instrucción). — Comprobación de la operatividad del "bus" de E/S; cuando el procesador ordena la activación o desactivación de una salida, se comprueba que el módulo correspondiente responde adecuadamente y ejecuta la orden.

A diferencia de otros sistemas programables, la memoria del Autómata está organizada en zonas predeterminadas para funciones específicas: instrucciones, estados de E/S y datos.

Cualquier anomalía que se presente, queda reflejada en los indicadores de diagnóstico del procesador y en la generación de un código de error que se almacena en el procesador, y en su caso, dependiendo de la importancia del fallo, se produce la parada total del sistema. Memoria

A diferencia de otros equipos programables el Autómata dispone de una memoria perfectamente organizada en áreas de trabajo específicas, tal como se muestra el esquema de la figura 22 que representaría la organización típica de la memoria de un Autómata. En primer lugar, hay que considerar un área de Memoria del Sistema generalmente no accesible por el usuario (por lo menos en su totalidad), Figura 21a. Unidad central de un autómata en formato de armario.

15


Figura 22. Mapa de memoria del Autómata.

en donde se almacenan los programas ejecutivos o "firmware" y un espacio de memoria de almacenamiento temporal intermedio que es empleado por los programas ejecutivos (Memoria scratch-pad). En segundo lugar se distingue un área de Memoria de Datos en la que se almacena información del estado de E/S (variables de E/S), estados internos intermedios o auxiliares (variables internas), y los datos o números (variables numéricas). Por último se considera un área de Memoria de Usuario (o de programa, o de aplicación) donde residen las instrucciones que definen el algoritmo de control. La memoria está organizada en palabras y registros, constituidos por cierto número de bits: 8,12,16 o 32, dependiendo del tipo de procesador que se emplee. Cada una de las palabras o registros constituye una información completa que define una instrucción o un dato numérico, o bien un grupo de estados de E/S, en función del área de memoria a que pertenezca. La cantidad de palabras de que dispone la memoria se expresa en unidades de millar o K (en realidad corresponde a 1024 que es potencia de dos); así se habla de una memoria de 1, 2, 4, 8, 16,... o 64 K palabras o instrucciones. Las palabras de 8 bits reciben el nombre particular de byte por lo que también puede encontrarse la expresión K bytes para definir la cantidad de memoria, aunque cada vez es menos frecuente. Hay que señalar que en las características del Autómata debe quedar claramente especificada la cantidad de memoria disponible para el programa de usuario. Según la tarea a que se dedica, cada una de las áreas de memoria puede estar constituida por unidades de distinta tecnología, aunque a efectos del procesador constituyen un bloque único y ordenado al que accede a 36


través del bus mediante la dirección que corresponde a la palabra o registro. El área correspondiente a la Memoria Ejecutiva la constituyen unidades de Memoria de sólo Lectura — ROM (Read Only Memory) que instala el fabricante del equipo conteniendo el firmware. Para las áreas de Memoria "scratch-pad", tabla de E/S (tabla de imágenes) variables internas y registros de datos, se emplean unidades de Memoria de Acceso Aleatorio — RAM (Random Access Memory), por su facilidad de escritura, modificación y borrado en curso de operación del procesador (tabla 4).

La Memoria de Usuario puede estar constituida por unidades RAM, que por su característica volátil precisan del soporte de batería, o por memorias permanentes del tipo UVPROM (Ultraviolet Reprogramable Read Only Memory) con borrado por radiación ultravioleta o del tipo EEPROM (Electrically Erasable Read Only Memory) reprogramables eléctricamente, que tienen la ventaja de no precisar batería para conservar el programa pero adolecen de la falta de flexibilidad de las memorias RAM. Las instrucciones ejecutables por el procesador, que se refieren a operaciones con estados de entradas y salidas, registros de datos y variables internas, además del código que define la operación a efectuar llevan asociada la dirección de un operando (variable). En los Autómatas existe una correspondencia directa entre las direcciones de la tabla de E/S y los bornes de los módulos o tarjetas de entradas y salidas, tal como se ilustra en la figura 23. Cada fabricante indica cuál es la relación, señalando qué zonas corresponden a entradas y cuáles a salidas, 37

Tabla 4. Tipos y características de las memorias según su tecnología.


Figura 23. La correspondencia entre la tabla de E/S y los elementos del sistema de E/S, define la identificación de variables en el programa.

El estado de las variables se almacena en la memoria según el convenio de lógica positiva; cuando no se indica otra cosa, el procesador examina el estado activado (1) de las variables.

aunque en algunos sistemas esta asignación es libre debido a que los módulos se identifican ante el procesador que se encarga de adaptar la tabla de E/S a la configuración constructiva del sistema de E/S. Es muy importante tener presente esta correspondencia entre la tabla de datos de E/S y los circuitos físicos del sistema de E/S, ya que en ella se basa la resolución de las instrucciones y la propia programación; al leer las instrucciones, el procesador acude a las direcciones de la tabla de E/S para tomar el estado de las variables asociadas al código de operación (operandos). El estado de las variables se almacena en la memoria de datos según el convenio de lógica positiva, es decir, el estado se registra como "1" (activado/ON) cuando existe un nivel de tensión en el borne del circuito de entrada, y como "0" (desactivado/OFF) cuando no hay tensión. Si se observa la figura 23, para las entradas asignadas al registro n, el valor del bit 12 corresponderá a 1 cuando se cierre el contacto del dispositivo de campo conectado al borne 12 del módulo de entradas, y por tanto se aplique tensión al mismo. Del mismo modo, para las salidas asignadas al registro m, cuando el valor del bit 5 sea 1 se activará el circuito correspondiente al borne 5 del módulo de salidas y por tanto se energizará el dispositivo de salida en campo. Cuando no se indica otra cosa, el procesador está examinando el estado activado (ON) de las variables. Si se especifica la función inversa o complemento de la variable, el procesador examinará el estado desactivado (OFF) de la variable. Supongamos que el estado de una salida Y corresponde a la ecuación lógica: Y = X1 ; en la situación de reposo representada en la 38


figura 24, la salida Y está activada, ya que al especificar la función inversa el procesador examina el estado desactivado de la variable asociada a la función (X1) que se cumple en dicha situación de reposo. Cuando se accione el dispositivo interruptor final de carrera representado, se activará el circuito de entrada (ON) tomando el valor 1 la variable X1 con lo que dejará de cumplirse la condición de examen programada (NO X1) y en consecuencia se desactiva la salida al tomar Y el valor 0.

Figura 24. Interpretación de la condición de examen de una variable.

EL SISTEMA DE ENTRADAS/SALIDAS

El control efectivo de una máquina o proceso se basa en un continuo intercambio de información entre el equipo de control y dicho proceso. La información que se recoge del proceso recibe el nombre genérico de Entradas, mientras que las acciones de control sobre la máquina o proceso se denominan Salidas. Los dispositivos de entrada son los iniciadores de las señales de entrada y corresponden a un amplio conjunto de elementos como, interruptores final de carrera, pulsadores, presostatos, detectores de posición, sensores, etc., mientras que los elementos dispositivos de salida se encargan de aportar potencia a las señales de salida generadas por el sistema de control y corresponden a relés, contactores, arrancadores de motores, electroválvulas, etc. El Sistema de E/S de un Autómata Programable Industrial está formado por un conjunto de módulos (o tarjetas) y estructuras de soporte de los módulos o bastidores de montaje, que tiene las siguientes funciones: 1) Adaptar la tensión de trabajo de los dispositivos de campo a la de los elementos electrónicos del Autómata y viceversa. 2) Proporcionar una adecuada separación eléctrica entre los circuitos lógicos y los circuitos de potencia. 39


Figura 25. Bastidor o rack de E/S con módulos del sistema (Fuente: Honeywell-IPC).

3) Permitir, mediante el soporte físico del "direccionado" la identificación de los dispositivos de E/S para la correcta ejecución de las secuencias de control programadas.

Figura 26. Distintas ejecuciones de Autómatas compactos. (Fuente: Hitachi).

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Los bastidores, o racks, proporcionan un soporte mecánico a los módulos y dan rigidez y protección a la "placa base" donde se hallan los conectares del bus de datos, cuando se trata de equipos modulares como el representado en la figura 25. En el caso de equipos compactos todo el sistema, incluidas todas o parte de las E/S está montado en una sola envolvente, como se muestra en la figura 26. La mayor parte de los miniautómatas se presentan en una configuración compacta que incluye la Unidad Central y parte del Sistema de E/S en una sola envolvente, pero son expandibles mediante unidades compactas o módulos de E/S. Entradas/Salidas discretas

Bajo la denominación de E/S discretas (también Todo-Nada) se agrupan aquellos componentes del Sistema de E/S destinados a la captación o generación de señales de y hacia dispositivos con dos estados diferenciados, que corresponden a la presencia o ausencia de un nivel de tensión, ya sea en cc o ca. Módulos de entradas

Son circuitos o agrupaciones de circuitos en tarjetas electrónicas enchufables en un rack de E/S que en su parte frontal disponen de una regleta de bornes enchufable para el conexionado de los dispositivos de entrada (figura 27), y un conjunto de indicadores LED de presencia de señal de entrada. Figura 27. Conexionado típico de los dispositivos de entrada.

En la figura 28 se muestra el esquema de principio de uno de los circuitos de entrada de un módulo, en el que se puede observar el acoplador óptico que proporciona la separación entre el circuito lógico y el de campo. 41


Figura 28. Esquema simplificado de un circuito de entrada.

Los módulos de entradas están disponibles en diversas ejecuciones en cuanto al número de circuitos que agrupan: 8,16, o 32, y en cuanto a los niveles de tensión de trabajo, siendo los más usuales: TTL, 24 Vca/cc, 48 Vca/cc, 110 Vca/cc, y 220 Vea. Módulos de salidas

Son tarjetas electrónicas que al igual que las de entrada disponen de una regleta de bornes enchufables y de indicadores LED para la visualización del estado de la salida. En general incorporan algún tipo de protección de la etapa de potencia (particularmente en el caso de salidas estáticas), que puede ser un circuito de detección de sobrecarga o un circuito fusible. La situación de sobrecarga o fusible fundido también se recoge en un indicador, bien individual por salida o por grupo de salidas. El conexionado de los dispositivos de campo se realiza de acuerdo con lo representado en la figura 29. Hay que señalar que para la indicación de fusible fundido es necesaria la conexión de un borne del módulo con un punto común de las cargas. El Sistema de E/S lo constituyen los bastidores (racks) de montaje y los módulos enchufables que incorporan 8,16, ó 32 circuitos de E/S discretas, o circuitos especializados.

El esquema de principio de un circuito de salida en ca (triac) se muestra en la figura 30, en donde se observará la presencia de circuitos de supresión de transitorios (varistor, red RC), el circuito detector de sobrecarga y el acoplador óptico entre la parte lógica y el circuito de potencia. Los módulos de salida están disponibles en varias ejecuciones en cuanto al número de circuitos que agrupan: 8,16, o 32, y a la tensión de trabajo y tipo de etapa de salida: transistor hasta 60 Vcc, triac hasta 48 Vea, o desde 24 a 220 Vea, TTL, y contacto de relé. 42


La intensidad nominal por salida varía en función del poder de disipación del módulo, entre 0,5 A para módulos de alta densidad (32 circuitos) y 5 A en módulos de menor número de circuitos. En cualquier caso, hay que tener en cuenta las especificaciones del fabricante, en cuanto a la disminución de prestaciones en función del número de circuitos activados permanente y simultáneamente. Entradas/Salidas numéricas

Se entiende por E/S numéricas un conjunto de módulos que permite adquirir o generar información a nivel de números o datos, es decir, que emplean un registro completo de la Memoria de Datos del Autómata.

Entradas/Salidas analógicas

Son módulos destinados a la conversión de una magnitud analógica (tensión o corriente) correspondiente a la medida de una magnitud física (temperatura, caudal, presión, etc.), que varía sin solución de continuidad. En general la conversión se hace aun código binario de 11 o 12 bits, al que corresponde un valor numérico, o bien desde el valor numérico al código binario. Es habitual que en un módulo de entradas analógicas exista un solo conversor analógico/digital (A/D), y las magnitudes de entrada sean multiplexadas (tomadas secuencialmente una a una) para su conversión. Para una mayor efectividad funcional estos módulos suelen estar con43

Figura 29. Conexionado típico de los dispositivos de salida.


Figura 30 (Arriba). Esquema simplificado de un circuito de salida. Figura 31 (Abajo). Esquema de bloques de un módulo de entradas analógicas.

trolados por su propio microprocesador, como se muestra en el esquema de bloques de la figura 31. Los fabricantes ofrecen distintas ejecuciones de los módulos, pero las más empleadas corresponden a, 4, 8, o 16 canales analógicos para las

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entradas, y cuatro canales para las salidas (que incoporan un conversor digital/analógico por canal). Los rangos o bandas de trabajo que permiten son los usuales en instrumentación o en convertidores de señal (transmiters): 0 a 5 Vcc, 0 a 10 Vcc, –10 a +10 Vcc y 4 a 20 mA, que son también adecuados a las entradas de gobierno de variadores de velocidad, válvulas motorizadas, etc. Entradas/Salidas de códigos numéricos

Para la adquisición de datos proporcionados a través de codificadores rotativos (Thumbwheel switches) o instrumentos electrónicos digitales, y para generar información numérica a dispositivos visualizadores (display de 7 segmentos) y otros equipos electrónicos, los fabricantes ofrecen módulos de E/S numérica generalmente para el código BCD (también Gray o complemento a 9). Por razones económicas estos módulos actúan en multiplexación, tal como muestra la figura 32, que corresponde a un módulo para entradas BCD.

A una frecuencia de escrutación elevada (100 Hz) el módulo adquiere la información de cada uno de los datos y la transfiere a los registros de la Memoria de Datos del procesador, o bien realiza la operación inversa si es un módulo de salidas. Entradas/Salidas especiales

Las E/S discretas y numéricas descritas anteriormente permiten el empleo del Autómata en un amplio campo de aplicaciones, pero algunas de 45

Figura 32. Conexionado típico de un módulo multiplexador de entradas BCD.


Los módulos inteligentes que forman parte del sistema de E/S, permiten reducir el número de componentes del equipo y descargar el trabajo del procesador del Autómata.

éstas requieren ciertas funciones especiales, que si bien podrían realizarse con los elementos comentados, exigirían un empleo excesivo, tanto de material como de instrucciones de programa. Para la resolución de estas funciones especiales los fabricantes ofrecen una serie de módulos especializados también denominados "inteligentes" o de "proceso"; con el empleo de estos módulos se reduce la cantidad de componentes del equipo y se descarga el trabajo del procesador del Autómata. Las E/S especiales forman parte de los grandes Autómatas pero progresivamente van siendo incorporadas a los sistemas de capacidad media. Entradas de termopar

Los módulos analógicos no son capaces de recibir señales de bajo nivel directamente de los transductores y precisan del empleo de convertidores de señal a nivel de instrumentación. En el caso particular de termopares transductores de temperatura, algunos fabricantes ofrecen módulos que aceptan directamente la señal débil (del orden de milivoltios) y operan como si se tratara de entradas analógicas. La figura 33 muestra la forma en que se conectan los termopares a uno de esos módulos. Figura 33. Conexionado típico para un módulo de entradas de termopar.

Controlador de motor paso-paso

Este módulo genera los trenes de impulsos necesarios para el control de un motor paso-paso, a través del amplificador de gobierno (driver o translator). El módulo acepta datos desde el programa de control que especifican el recorrido o posición, sentido, aceleración y deceleración del movimiento. En la Figura 34 se muestra el conjunto de control de forma simplificada. 46


Generalmente disponen de entradas de control manual del movimiento para efectuar el posicionado en las condiciones iniciales. Servo-controlador

Este módulo permite el control de posicionamiento en un eje, o multieje, proporcionando tiempos cortos de posicionado, alta precisión, buena fiabilidad y alta repetibilidad, y ofrece una alternativa económica al empleo del control numérico en pequeñas aplicaciones que no requieren las elevadas prestaciones del CNIC, como tansfers, máquina herramienta, maquinaria de empaquetado, etc. En la figura 35 se muestran los componentes necesarios, y su interconexión para la función de posicionado. Módulos de control PID

En aplicaciones de control de proceso en las que se requiere una alta precisión en el control de una función de regulación, se hace necesario la aplicación del Control Proporcional, Integral y Derivativo (PID), de forma que la variable de proceso se mantenga lo más ajustada posible al punto de consigna, o a los distintos puntos de consigna que se establezcan a lo largo de la evolución del proceso. Las desviaciones o saltos bruscos de la variable de proceso respecto del punto de consigna, pueden producir una reducción de la calidad del producto obtenido además de provocar un consumo excesivo de energía, o incluso provocar la pérdida de control del sistema. En la figura 36 se muestra, en esquema de bloques, una ecuación de control que expresa un determinado algoritmo de regulación PID. 47

Figura 34. Principales conexiones de un módulo de control de motores paso-paso (Fuente: Square D).


La variable de proceso se obtiene a través de una entrada analógica, y después de ser tratada se compara con el valor de consigna. La señal de error resultante (desviación respecto al punto de consigna), se procesa a través de las componentes PID, y los resultados se suman para obtener la variable de control, que se aplica sobre el sistema para anular el error existente.

Figura35. Esquemas de bloques de un sistema controlador de ejes - Servocontrolador (Fuente: Honeywell-lPC).

En la figura 37 se muestra el conexionado de un módulo PID que incorpora la entrada y salida analógica correspondiente a la variable de proceso y variable de control. Además el sistema incorpora una estación de control manual de la variable de control de forma que el operador pueda actuar a voluntad sobre el proceso. Otra forma de ejecución del control PID es mediante el empleo de Unidades de Control de Proceso independientes, que se conectan a la Unidad Central del Autómata mediante un enlace de comunicaciones como se indica en la figura 38. En cualquiera de los casos, el técnico de procesos programará los parámetros de control necesarios para la ecuación de regulación, y el módulo o unidad PID realizará todos los cálculos sin necesidad de tener que hacer programas en la memoria del Autómata. Módulo ASCII

Las posibilidades de comunicación de los Autómatas quedan limitadas al intercambio de información entre distintos procesadores de un mismo 48


fabricante o con terminales inteligentes capaces de generar el mismo protocolo que ellos utilizan. Para permitir el intercambio de datos con periféricos no inteligentes, los fabricantes ofrecen los Módulos ASCII, con uno o más canales de comunicación, configurables en cuanto a la velocidad de transmisión, estructura de la información, y códigos de control o protocolo. En la figura 39 se representa la capacidad de comunicación ofrecida por un módulo ASCII.

Figura 36. Representación del algoritmo de control de un lazo PID (Fuente: AllenBradley).

Entrada/Salidas remotas Para los sistemas de cierta envergadura no es posible disponer de todos los componentes de la Unidad Central y del Sistema en un mismo rack, y se hace necesario el empleo de los llamados expansores de E/S que permiten prolongar el bus del sistema desde el rack del CPU hasta otras estructuras de E/S. Dado que la interconexión se efectúa por enlace paralelo mediante cable multiconductor, las distancias entre los racks quedan limitadas a las necesidades de las dimensiones de un armario de control. No es posible aumentar la longitud de los cables, ya que se corre el riesgo de introducir interferencias en el bus del sistema. En ciertas aplicaciones en las que se controlan gran número de señales, y los dispositivos de entradas y salidas se hallan dispersos en extensas áreas, es posible emplear módulos de interconexión serie para E/S en posiciones remotas, en las inmediaciones de los dispositivos cuyas señales hay que controlar. En la figura 41 se muestra una configuración de Autómata con entradas y salidas remotas, en la que se puede observar que en un área de E/S remotas podrán utilizarse expansores en paralelo. 49

En aplicaciones con gran número de E/S dispersas en amplias áreas se recurre al empleo de las E/S remotas, que permiten la ubicación de racks en la proximidad de los dispositivos de E/S.


Figura 37. Elementos y señales principales de un controlador PID (Fuente: Allen-Bradley).

En la Unidad Central se instalan uno o varios módulos de interconexiónserie local que se enlazan mediante un cable de comunicaciones (un simple par trenzado apantallado), con las estructuras remotas en las que se encuentra un módulo de interconexión remoto, actuando como controlador de comunicaciones de dicho rack.

Figura 38. Unidad de control PID independiente y su conexión a la Unidad Central del Autómata.

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Figura 39. Los módulos ASCII permiten la conexión de un variado conjunto de periféricos de entrada y salida.

EQUIPOS DE PROGRAMACIÓN Y PERIFÉRICOS Equipos de programación La misión principal del equipo de programación del Autómata es proporcionar el medio material mediante el cual el programador puede introducir en la memoria las instrucciones que definen las secuencias de control, en un lenguaje explícito (esquemas de contactos, bloques funcionales, ecuaciones de Boole, etc.), que no es directamente interpretable por el procesador. A diferencia de lo que ocurre en un equipo informático, el trabajo de Figura 40. La Unidad Central de Proceso del Autómata se conecta al Sistema de E/S mediante un enlace paralelo o serie.

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Figura 41. Los sistemas con E/S remotas permiten reducir los costes de cableado de la instalación.

producción del programa y la ejecución del mismo, tienen lugar en procesadores distintos, uno en el equipo de programación y otro en la Unidad Central del Autómata. Dependiendo del diseño del Autómata, el equipo de programación produce unos códigos de instrucciones directamente ejecutables por el procesador o bien un código intermedio, que será interpretado por un programa residente en el procesador (firmware). Este es el caso de los fabricantes que ofrecen procesadores con distintas capacidades, basados en diferentes microprocesadores, pero que emplean el mismo equipo de programación para todos ellos. Las tareas principales de un equipo de programación son: 1) La programación propiamente dicha, que comprende, a) Introducción de las instrucciones, bien directamente en la memoria del procesador o en una memoria autónoma del equipo de programación. b) Visualización del programa en memoria. c) Modificación y edición del programa. d) Detección de errores de sintaxis o formato. 2) Documentación y archivo de los programas (cinta, disco). 3) Visualización y modificación de datos del programa. 4) Visualización y verificación dinámica del programa. 5) Visualización de códigos de error en el sistema, y procedimientos de investigación de averías. Consolas de programación CRT Se trata de terminales inteligentes con teclado completo y pantalla de 52


tubo de rayos catódicos (CRT), construidas de forma robusta para poder ser empleadas en el taller o la planta. En general disponen de un dispositivo de archivo de los programas, en cinta o disco, y de salida a impresora para poder obtener listados del programa. Incorporan una serie de ayudas a la programación como son las operaciones de edición, referencias cruzadas, análisis de secuencias de E/S, acceso a la memoria de datos, etc. En la figura 42 se muestra uno de estos equipos en el que se distinguen los elementos mencionados, pantalla, dispositivo de archivo (cinta) y teclado completo que facilitará la documentación del programa.

Figura 42. Terminal de programación con teclado completo y pantalla CRT; incorpora una unidad de archivo de programas mediante cinta "streamer". (Fuente: Square D).

La gran difusión de los Ordenadores Personales tipo IBM PC ha hecho que los fabricantes de Autómatas ofrezcan la posibilidad de emplearlos como terminal de programación de sus equipos. También existen terminales de programación que mediante técnicas de CAD permiten la programación directa de circuitos eléctricos en formato DIN. Algunas de estas consolas pueden trabajar en modo terminal convirtiéndose en un periférico para la entrada de datos y visualización de gráficos dinámicos. Debido al elevado coste de estos equipos y a la difusión y reducción de precios de los Ordenadores Personales compatibles (tipo IBM PC), los fabricantes de Autómatas han desarrollado componentes de interconexión y paquetes de programas que permiten que se emplee el ordenador como terminal de programación. En la figura 43 se muestra un ordenador de sobremesa empleado como terminal de programación autónomo; en este caso se emplea la memoria 53


Figura 43. El ordenador personal como unidad de programación del Autómata está desplazando a tos terminales dedicados. (Fuente: Honeywell-IPC).

Los módulos de tratamiento de datos aportan al Autómata la potencia necesaria para la elaboración de informes de producción, tratamiento estadístico, gestión de alarmas, etc.

del ordenador para desarrollar el programa y se utilizan las unidades de disco como dispositivo de archivo. Dado que los ordenadores no están, en general, preparados para trabajar en el taller, es de particular ayuda que dispongan de esta posibilidad de trabajo en modo autónomo, es decir, sin estar conectados al procesador; así la programación y edición pueden desarrollarse en la Oficina Técnica, y posteriormente realizar una transferencia a la memoria del Autómata en planta. La conexión de la consola a la Unidad Central se hace mediante un enlace serie (RS-232C o RS-422), lo que permite situar el equipo a cierta distancia del armario de control, en un lugar de trabajo cómodo: En muchos casos la distancia de interconexión permite que el terminal se sitúe en una sala de Control Central, o en la Oficina Técnica de Mantenimiento. Los fabricantes que ofrecen redes de comunicación de sus Autómatas, especifican también los equipos de programación para trabajar a través de la red, lo que significa que con un solo equipo se tiene la facilidad de acceder a cualquiera de los Autómatas conectados a dicha red. Programadores tipo calculadora Como alternativa a los costosos terminales tipo consola, se desarrolla54


ron pequeños terminales tipo calculadora de sobremesa, que ofrecen la mayoría de operaciones de programación, edición, visualización y acceso a datos del Programa. El programador, como podrá observarse en la figura 44, dispone de un teclado de instrucciones, de mandatos, y numérico y un pequeño display en el que se visualiza el programa, instrucción por instrucción, o en otros más capaces se visualiza un grupo de instrucciones o un circuito lógico. Para el archivo de programas utilizan un medio externo, generalmente un grabador de cintas cassette-audio; este medio es muy económico pero de dudosa fiabilidad. Para la obtención de un listado del programa es necesario instalar un módulo de interconexión que permite la conexión de una impresora serie. Equipos periféricos Se agrupan bajo esta denominación aquellos equipos auxiliares del sistema de control que no intervienen directamente en la elaboración del programa ni en la ejecución de la secuencia de control, pero se hallan enlazados, o pueden estarlo, con el Autómata.

Figura 44. Unidades de programación tipo calculadora. (Fuente: Omron Electronics).

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Módulos de tratamiento de datos Son pequeños ordenadores que se han diseñado para trabajar en ambiente industrial y se presentan en formato de módulo instalable en una de las estructuras de E/S. Su función es el tratamiento de los datos que se manejan en la Unidad Central (contaje, tiempos, alarmas, estados de E/S, etc.), para la elaboración de gráficos dinámicos (sinópticos), informes de producción, incidencias de alarmas, o simplemente como un medio de interconexión hombremáquina que permite al operador visualizar o introducir parámetros de control de una forma dialogante (método pregunta-respuesta, fill-in-theblank). Disponen de canales de comunicación para el Autómata o Red, conexión a un terminal CRT, impresoras, etc. y se programan en un lenguaje informático tipo Basic o en el Ensamblador del microprocesador que incorporan. Unidad de diálogo y test Estos equipos son pequeños terminales que proporcionan un medio de acceso a los registros de datos del Autómata para su visualización dinámica o modificación de parámetros de control. Se conectan a uno de los canales de comunicación de la Unidad Central, y en aquellos equipos que disponen de instrucciones apropiadas pueden visualizar mensajes de Figura 45. Terminal de visualización dinámica y modificación de datos. (Fuente: Square D).

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alarma. Como se muestra en la figura 45, disponen de un display alfanumérico y un teclado de mandatos y numérico. Otros periféricos Existe un amplio número de dispositivos que, gracias a las actuales prestaciones de los Autómatas, pueden considerarse como periféricos. La capacidad de comunicaciones incorporada a la Unidad Central, o al Sistema de E/S mediante módulos especiales, hace que muchos equipos capaces de intercambiar información mediante código ASCII se puedan emplear para introducir o recibir datos del Autómata. Entre estos equipos figuran: — Impresoras. — Monitores CRT. — Teclados alfanuméricos. — Displays alfanuméricos. — Unidades de cinta o disco. — Lectores de códigos de barras. — Equipos de pesaje. — Instrumentación electrónica, etc. Conexión de periféricos En los párrafos precedentes se ha hecho frecuente referencia a las conexiones de equipos de programación y periféricos al Autómata mediante "enlaces serie". Este tipo de comunicaciones consiste en la transmisión en serie, es decir, bit tras bit, de información binaria empleando como soporte físico en el caso más simple, un cable de par trenzado. La información que se transmite hacia o desde la mayoría de periféricos, consiste en códigos ASCII. La forma de realizar la comunicación puede ser unidireccional cuando Figura 46. Circuito simplificado de un enlace RS-232C.

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se establece en un solo sentido, como podría ser el caso de una impresora o un teclado, o puede ser bidireccional; en este último caso hay dos formas de establecer la transmisión. Cuando los datos, se transmiten en un sólo sentido cada vez se denomina semi-duplex (half-duplex) mientras que si puede transmitir simultáneamente en ambos sentidos se denomina bidireccional simultáneo o duplex total (full-duplex). Se han establecido normas y recomendaciones que definen los enlaces serie tanto en sus características mecánicas como eléctricas y funcionales. Las normas más difundidas para interconexión de periféricos son la RS-232C y la RS-422 elaboradas por la EIA (Electronic Industries Association), aunque existen otros métodos definidos y difundidos que no están amparados por normas como es el caso del bucle de corriente –20 mA. EIA RS-232C La norma define un conjunto de 25 líneas y señales pero en la práctica se precisan sólo de 3 a 5 líneas para la mayoría de los terminales. Es el método más difundido, pero tiene la limitación de la distancia máxima de transmisión, que se limita a 15 metros y la velocidad de transmisión no puede superar los 20 K baudios (20.000 bit/s). En la figura 46 se muestra un esquema de principio del tipo de conexión empleada por el RS-232C, que utiliza receptores y transmisores no balanceados, trabajando con niveles de señal comprendidos entre +5 V y +15 V como máximo. Niveles de tensión por debajo de –3 V se denominan MARK (1 lógico), y por encima de +3 V se denominan SPACE (0 lógico). Los datos se transmiten a una frecuencia a velocidad de transmisión prefijada de 110, 300, 600,1200, 2400, 9600 o 19.200 baudios. Para que sea posible esta transmisión, las señales de bit están bajo el control de un reloj y el bloque de bits que se transmite incorpora un bit de inicio y uno o dos de final, que permiten sincronizar otro reloj existente en el receptor del mensaje. En la figura 47 se representa el bloque de bits de un carácter ASCII.

Figura 47. Estructura, o formato, de un bloque de datos en una transmisión serie.

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Figura 48. Circuito simplificado de un enlace RS-422.

Junto con el dato y los bits de sincronismo, se transmite un bit de paridad para determinar si el dato que se recibe ha mantenido su integridad en la línea. EIA RS-422 Esta norma se desarrolla para paliar las limitaciones del método RS-232C. El RS-422 define receptores y transmisores balanceados o diferenciales,

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Figura 49. Circuito simplificado de un enlace por Bucle de corriente-20 mA.


como se muestra en la figura 48. La velocidad de transmisión puede alcanzar 10 Mbaudios (10.000 Kbaud) y la distancia es función de la velocidad empleada, pero para unos 100 Kbaudios supera los 1000 metros utilizando cables de par trenzado apantallados. A diferencia del RS-232C que especifica la existencia de una estación primaria que inicia y mantiene el control de la comunicación, en el RS-422 cualquier estación puede iniciar la transmisión suponiendo que tenga capacidad intrínseca para ello. Los circuitos del RS-422 se especifican para poder dar señal a un máximo de 10 receptores en paralelo. Bucle de corriente-20 mA Tal como se indica en la figura 49, el bucle de corriente-20 mA está constituido por cuatro conductores: transmisión + y – recepción + y –. La identificación de los 0 y 1 lógicos se efectúa abriendo o cerrando el circuito de corriente. Se emplean niveles de tensión elevados y resistencias limitadoras de elevado valor, de forma que la resistencia del conductor tenga poca influencia en el circuito; esto permite distancias de comunicación superiores a las del RS-232C.

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Elementos de programación

INTRODUCCIÓN En los capítulos precedentes, se ha puesto de manifiesto que, la automatización de una máquina o proceso, se basa en una serie de intercambios de información que fundamentalmente son: 1) Intercambio permanente de información entre el proceso y el sistema de control (magnitudes y acciones físicas), que tienen lugar a nivel del sistema de entradas/salidas. 2) Intercambio entre el operador y el sistema de control para el establecimiento de secuencias especiales, modificación de consignas control manual, obtención de información explícita de las variables del proceso, etc. Todo intercambio de información precisa de una codificación del mensaje que sea comprensible, tanto para el emisor como para el receptor; esta codificación constituye un "lenguaje". En los sistemas programables, se denomina lenguaje de programación, y establece un medio sencillo, pero suficientemente preciso, para que el programador pueda especificar la secuencia de tratamiento de la información que se requiere del sistema de control. Un lenguaje de programación no garantiza por sí solo la precisión en la ejecución de las secuencias especificadas por el programador. Puede crearse un lenguaje muy explícito, pero de poco sirve si no es coherente con las necesidades del problema de automatización, y sobre todo, si no es capaz de explotar los recursos de la Unidad de Control con la que se establece el diálogo. Por tanto un "lenguaje de programación" que se emplee en los Autómatas Programables, debe caracterizarse por su orientación a los problemas de automatización para los que se diseñó la Unidad Central de Proceso, y coherente con las capacidades de ésta. Un conjunto de sentencias del lenguaje de programación empleado, convenientemente ordenadas para definir una tarea a efectuar por la Unidad Central de Proceso, constituye un programa. En el Autómata Programable se encuentran una serie de programas residentes, o firmware, que se suministran con el propio equipo. Estos programas tienen por misión el establecer las condiciones de trabajo de los distintos componentes del sistema, ejercer funciones de vigilancia del correcto funcionamiento del equipo, producir y ejecutar las secuencias especificadas en el programa de usuario o de aplicación. Una vez definido el programa, es decir, descritas las tareas de tratamien61

El lenguaje de programación de un Autómata debe estar orientado a los problemas de automatización, y debe ser capaz de explotar al máximo las capacidades de la Unidad Central.


to de información requeridas para la secuencia de control, el programador las transcribirá en forma de sentencias o instrucciones del lenguaje de programación, asociando a éstas la correspondiente identificación de las variables de entrada y salida, y variables internas y registros de trabajo. Para introducir en la memoria del Autómata el programa creado, se precisa el concurso de un equipo de programación. En la memoria del Autómata se almacenan las instrucciones en forma de códigos binarios, o lenguaje máquina, el único capaz de ser interpretado por el procesador de la Unidad Central. En consecuencia, el equipo de programación sería el encargado de traducir las instrucciones del lenguaje de programación a esos códigos binarios. En realidad podemos considerar que el equipo realiza dos tareas básicas: — Análisis de sintaxis o formato del programa. — Generación de un código intermedio. El código intermedio se almacena en la memoria, y es un programa interpretador de esos códigos que reside en el procesador el que los traduce al código máquina. CONJUNTO DE INSTRUCCIONES DEL AUTÓMATA De acuerdo con lo comentado anteriormente, el lenguaje de programación de un Autómata se define como un lenguaje especializado para resolver una gama de problemas, dado que el Autómata es una máquina orientada en ese sentido (equipo programable orientado a entradas y salidas). Partiendo del concepto de "orientación al problema", se puede establecer que existe un conjunto de instrucciones único para la programación de un Autómata, aunque la forma de esas instrucciones pueda variar en función del origen del equipo y del tipo de lenguaje que se emplee (gráfico o literal). Por otra parte, el hecho de que una tarea de control sea descrita por un técnico, por ejemplo mediante ecuaciones Booleanas, no presupone que se emplee esta forma de lenguaje en el Autómata destinado a ejecutarla. También dependiendo de la capacidad de la Unidad Central, el Autómata podrá interpretar todo el conjunto o un subconjunto de las instrucciones de que dispone un lenguaje particular. Además, en función de la tecnología disponible y de las nuevas aplicaciones de los Autómatas, el conjunto de instrucciones se va ampliando con nuevas instrucciones complejas, específicas de esas nuevas áreas de control (lazos de regulación PID). En el conjunto de instrucciones del Autómata se pueden considerar los siguientes grupos: — — — — — 62

Instrucciones de funciones lógicas. Instrucciones de temporización y contaje. Instrucciones aritméticas. Instrucciones de manipulación de datos. Instrucciones de transferencia de datos.


— Instrucciones de control del ciclo de ejecución. — Instrucciones de comunicación. Las instrucciones determinan el tratamiento que debe realizar la Unidad Central con la información dada por: — Variables de entrada discretas (todo-nada). — Variables de salida discretas (todo-nada). — Variables internas o auxiliares (binarias). — Variables de entrada numéricas. — Variables de salida numéricas. — Variables internas numéricas. a las que se asocia la correspondiente "dirección" de E/S o de registro. Instrucciones de funciones lógicas Este subconjunto de instrucciones define, en el lenguaje empleado, los operadores lógicos booleanos: Y (AND), O (OR), y complemento. Algunos Autómatas permiten otras operaciones lógicas como la que define el operador O-Exclusiva. Estas instrucciones permiten la resolución de los tratamientos de información correspondientes a procesos lógicos secuenciales, mediante la implementación de las funciones lógicas o ecuaciones de Boole. Instrucciones de temporización y contaje Instrucción de temporización Se trata de una función temporal en la que una variable temporizada, adquiere el estado de una variable de control (estado 0 o 1) transcurrido un tiempo t preestablecido (preselección o valor de consigna del temporizador). Figura 50. Diagrama de la variable temporizada; a) retardo a la activación; b) retardo a la desactivación.

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Cuando la variable temporizada adquiere el estado 1 de la variable de control con un retardo t, se trata de un temporizador con retardo a la activación; mientras que si partiendo del estado 1 la variable temporizada alcanza el estado 0 de la variable de control con un retardo t, se trata de un temporizador con retardo a la desactivación. Ocasionalmente, podemos encontrar instrucciones de temporización con otra señal de control adicional que les permite actuar como acumuladores de tiempo; en este caso actúa como un cronómetro con control "start/stop" y control de puesta a cero.

Figura 51. Diagrama de la variable de acumulación de tiempo.

Por ejemplo en el caso del engrase del eje de un motor cada H horas se empleará esta instrucción. En esta ocasión, la variable que actúa como "start/stop" es la variable de salida de gobierno del arrancador del motor. Instrucción de contaje Se trata de una función en la que la variable de salida Y adquiere el estado 1, cuando han tenido lugar n (valor de consigna o preselección) transiciones de 0 a 1 del estado de la variable de contaje X; para que las transiciones sean contabilizadas, es preciso que la variable de control V (validación y puesta a cero) permanezca en el estado 1. Podemos encontrar instrucciones de contador que permiten la función contador/descontador (UP/DOWN); en este caso hay dos variables, X de contaje y X' de descontaje. Instrucciones aritméticas Por lo general se agrupan en estas instrucciones las operaciones básicas, adición (+), sustracción (–), multiplicación (X) y división (/). En estas instrucciones, se especifica una variable numérica destino de la operación que tiene lugar entre otras dos variables numéricas (registros):

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En la programación la instrucción se completa con una señal de control u orden de ejecución; algunos equipos permiten programar instrucciones con operaciones múltiples, es decir, la variable destino adquiere el valor resultante de operaciones aritméticas distintas entre más de dos operandos. Figura 52. Diagrama de la variable de contaje.

En procesadores potentes se tiene además instrucciones de cálculo, como la extracción de la "raíz cuadrada", operaciones con implicación de resultados intermedios internos (acumuladores del scratchpad), operaciones matemáticas, y el empleo de notación en coma flotante, para aumentar la precisión de los cálculos. Instrucciones de manipulación de datos Estas instrucciones permiten el manejo de información correspondiente a variables numéricas o contenidos de los registros de datos. Entre ellas hay que considerar las funciones de comparación de variables numéricas, funciones de conversión del código de representación de la variable (binario, BCD, etc.), funciones con operadores lógicos a nivel de registro (AND, OR, etc.) y funciones de rotación o desplazamiento de la información (bits) en un registro o grupo de registros. Instrucciones de tratamiento de datos En el tratamiento de variables numéricas se hace necesario operar o comparar dichas variables con datos o grupos de datos, que deben ser distintos en función de la secuencia que se esté ejecutando, o del valor de otra variable discreta o numérica. Para esto es necesario disponer de instrucciones que permiten trasladar o copiar, uno o varios datos contenidos en los registros de la Memoria de Datos a otros registros de la misma memoria, o a un conjunto de variables numéricas; éstas son las instrucciones de transferencia que operan a nivel de registro o grupo de registros y con variables numéricas internas, de entrada o de salida. 65

Las instrucciones de cálculo, manipulación y tratamiento de datos, permiten el empleo del Autómata en aplicaciones complejas, tanto a nivel de máquinas como en control de proceso.


Figura 53. Transferencia de datos. En función de la variable U o V seleccionada, se modifica el valor del operando X en la ejecución de una instrucción de adición.

Instrucciones de control del ciclo de ejecución Estas instrucciones permiten alterar la ejecución secuencial de las instrucciones del programa de control, mediante saltos condicionales a determinadas secciones del programa, o mediante el abandono del programa principal para realizar secuencias de instrucciones denominadas subrutinas. Este tipo de instrucciones permite la optimización del tiempo de ejecu-

Figura 54. Alteración del ciclo de ejecución del programa mediante una instrucción de salto condicional y de salto a subrutina.

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ción del programa, atendiendo a la resolución de ciertas instrucciones sólo cuando se requieren realmente. Así, por ejemplo, la realización de operaciones aritméticas complejas debe tener lugar sólo cuando los datos precisos para los operandos sean los correctos, o bien no es necesario efectuar las operaciones en cada ciclo de ejecución sino tan sólo cuando exista un cambio en el valor de alguna de las variables. Instrucciones de comunicación Estas instrucciones permiten la transferencia de información entre dos o más Autómatas, mediante el enlace a través de un canal de comunicaciones serie. En el caso más restrictivo se tratará de enlaces entre pocos Autómatas en cuya memoria de datos o registros de trabajo, están reservadas determinadas zonas para recibir y transmitir datos al exterior. El caso más amplio lo constituyen los enlaces mediante red de comunicaciones, en los que el acceso a la memoria de estados y datos es prácticamente libre. Para las instrucciones de comunicación es necesario especificar parámetros tales como, número de datos a transmitir, dirección del primer registro en origen y dirección del primer registro en destino, identificación de los nodos de comunicaciones (en caso de red), velocidad de transmisión, y variable de control de la transferencia de datos. Básicamente existen dos tipos de instrucciones: lectura de datos de otro procesador, y escritura de datos en otro procesador. Un caso particular lo constituye el envío de mensajes alfanuméricos a un terminal ASCII.

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Aunque cada fabricante propone para su línea de Autómatas un lenguaje de programación propio, se puede considerar que existen dos grandes grupos: lenguaje de circuitos de contactos y lenguajes booleanos. Lenguaje de esquema de contactos (Ladder diagram) Este es un lenguaje gráfico que mediante símbolos representando contactos, solenoides, enlaces, etc., identificados con la correspondiente dirección de una variable de entrada o salida y combinados convenientemente, permite definir la condición de estado de una variable de salida. Los símbolos empleados corresponden a la convención americana según normas NEMA para la representación de esquemas eléctricos. Así pues este lenguaje expresa las secuencias de control de forma gráfica similar a la empleada en la tecnología cableada de relés. Las funciones básicas se expresan mediante combinaciones de los siguientes símbolos-instrucción: –] [– Contacto NA

– Variable discreta de E/S o interna

–]/[– Contacto NC

– Variable discreta complementada

–()– Salida

– Variable discreta de salida o interna 67


Figura 55. Función lógica de la variable Y Yen esquema de contactos. La variable Y1 adquiere el estado 1 cuando X1 y X2 valen 1, o cuando Y3 está a 1.

La incorporación de otras funciones a este lenguaje implica la utilización de expresiones literales descriptivas de dicha función, aunque siempre integradas en el esquema de contactos:

Figura 56. Funciones complejas en esquemas de contactos. Cuando A vale 1 compara el valor del registro X con el registro Y, y si son iguales activa B. Cuando B vale 1 suma el dato en Z con el dato en U, y almacena el resultado en V. Con Cal, si el dato en V es mayor que el dato en W, activa D.

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–] CMP< [–

Comparación (menor que)

–] GET[–

Lectura del valor (dato) de un registro

–(+)–

Ejecuta la operación adición

– (JSB) –

Salto a subrutina

– (TON) –

Temporizador de retardo a la activación.


En la figura 56 se muestra el aspecto de una operación de comparación que condiciona la ejecución de una operación aritmética, que a su vez desencadena una acción de control sobre una variable discreta de salida. Si bien este formato permite ya la programación de secuencias de una cierta complejidad, a efectos de una mayor simplificación se han introducido instrucciones más potentes empleando el formato de "bloques" para aquellas instrucciones que manipulan datos y registros; las variables discretas de control de estas funciones de bloque continúan expresándose en los símbolos de contactos. Figura 57. Instrucción de edición en formato de bloque.

El formato de bloques permite agrupar en una sola instrucción varias opciones funcionales como se observa en la Figura 58; en este caso en el bloque funcional se especifican una serie de variables y parámetros opcionales. Si las líneas de start/stop y de validación/puesta a cero adquieren el valor 1, es decir, el circuito de contactos que configura cada línea (variables discretas de E/S, o internas) de continuidad, se inicia la temporización. El registro Y tiene el valor de tiempo transcurrido o acumulado, mientras que la consigna (tiempo de retardo) se introduce como variable en el registro X o se fija por un valor constante. El "bloque temporizador" permite seleccionar la base de tiempos TB, es decir, el rango y precisión del temporizador; de hecho el temporizador no es otra cosa que un contador que cuenta los impulsos de un generador o reloj interno del Autómata y el TB o base de tiempos permite seleccionar la frecuencia de ese generador. El bloque proporciona dos salidas de forma que una está activada cuando se alcanza el tiempo preseleccionado, desactivándose la otra que está activada mientras el temporizador temporiza y no se ha alcanzado el valor de consigna. 69

La incorporación de instrucciones en formato de bloque ha permitido un aumento considerable de la potencia de los lenguajes basados en el esquema de contactos.


Figura 58. Instrucción de temporización en formato de bloque.

La facilidad de programación aportada al esquema de contactos por los formatos de bloques se puede apreciar, por ejemplo, al especificar una transferencia de datos, ya que en una sola instrucción se define todo el trasiego de información de un lugar a otro de la memoria de datos. En la instrucción se especifican el número de datos a mover, el primer registro del grupo, el primer registro destino, y la variable discreta de control de ejecución.

Figura 59. Instrucción de transferencia de un bloque de datos.

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Lenguajes booleanos Estos lenguajes reciben el nombre de booleanos ya que proporcionan un medio literal para la transcripción directa de las ecuaciones de Boole o funciones lógicas que definen una secuencia de control. Evidentemente las instrucciones que definen los operadores lógicos fundamentales se completan con otras expresiones necesarias para describir las funciones de temporización, contaje, manejo de datos, operaciones aritméticas, etc. El lenguaje booleano se denomina también de lista de instrucciones o de nemónicos. En la tabla 5 se recoge el conjunto de instrucciones de un típico lenguaje booleano. Tabla 5. Conjunto de instrucciones tipo nemónicos de un lenguaje booleano.

Por ejemplo, una variable de salida cuyo estado responde a la ecuación de Boole: Y1 =Y3 + (X1 . X2) se transcribirá en lenguaje nemónico de la siguiente forma: 71


La existencia de distintos lenguajes obedece al diverso origen de los equipos, y a las distintas etapas de desarrollo tecnológico del producto. Así en los Estados Unidos, se pasó de la resolución de los problemas de automatización mediante armarios de maniobra a relés, a las soluciones programables, prácticamente sin emplear tecnologías intermedias. En cambio, en Europa, existió una etapa prolongada en que se explotaron las soluciones de circuitos lógicos estáticos. En consecuencia, los lenguajes basados en el esquema de contactos (ladder diagram) se hallan preferentemente en los equipos de fabricación americana, mientras que los europeos han desarrollado los lenguajes en lista de instrucciones, como evolución de las ecuaciones de Boole y los lenguajes de bloques funcionales. Figura 60. Representación de las funciones lógicas elementales en distintas simbologías.

Sea cual sea el lenguaje empleado, debe ser capaz de expresar con facilidad las ecuaciones booleanas que definen la condición de estado de las variables de salida del sistema.

Por otra parte, si para una determinada secuencia de control, se hace un análisis restrictivo al conjunto de variables discretas que le afectan, se convendrá en que la realidad subyacente, sea cual sea el lenguaje de programación empleado, corresponde a las ecuaciones de Boole. En síntesis y prescindiendo de la simbología propia de cada equipo o fabricante, lo que se define con cada lenguaje particular es una ecuación 72


booleana que expresa la condición de estado de una variable de salida del sistema. En el ejemplo que se propone a continuación se observará la equivalencia de ambos tipos de lenguajes para expresar y programar una misma secuencia de control. Ejemplo de programa de aplicación Una de las fases de producción en una cadena de embotellado, consiste en la colocación de un tapón metálico en la botella una vez finalizada la secuencia de llenado. Se trata de detectar, y sacar de la cadena, aquellas botellas que salgan de la fase de cierre sin el correspondiente tapón; además si en un determinado período de tiempo se rechazan más de n botellas debe activarse una alarma.

Para la detección de la botella defectuosa se conjugan las acciones de detección de un sensor inductivo que detecta la presencia del tapón y de un equipo fotoeléctrico que señala la presencia de las botellas. A efectos de simplificación en este ejemplo se prescinde de los condicionantes mecánicos de la instalación que implican la sincronización de las señales de los detectores. La secuencia de control que se propone, permite poner de manifiesto una programación particular de un temporizador, y el empleo de una instrucción de desplazamiento (SHIFT) de la información (bits), de un registro. 73

Figura 61. Ejemplo de un programa de aplicación en una cadena de embotellamiento.


Instrucción de temporización como base de tiempos En la aplicación propuesta se precisa analizar el valor acumulado en un contador cada t segundos, y ponerlo a cero transcurrido ese lapso para iniciar un nuevo ciclo de observación. En la figura 62 se analiza la función a generar y la estructura de la instrucción que la ejecuta.

Figura 62. Programación de una base de tiempos; a) diagrama de la función de generador de impulsos; b) empleo de la instrucción de temporización como base de tiempos.

Figura 63. Instrucción de desplazamiento de información en un registro; a) registro de desplazamiento; b) relación entre las variables de E/S del ejemplo y los datos del registro.

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Utilizando como variable de control de validación/puesta a cero, la inversa de la propia variable de salida de alcance de consigna, se consigue que cada vez que esto ocurre se inicie de nuevo la temporización a partir de cero. Por la característica secuencial del procesador, la variable de salida adquiere el estado 1 durante un ciclo de ejecución del programa, con lo que de hecho se obtiene un generador de impulsos de período t. Instrucción de desplazamiento (SHIFT) Esta instrucción permite mover simultáneamente toda la información presente en los bits de un registro, a la posición del bit adyacente. Las instrucciones SHIFT tienen una línea de control o de orden de desplazamiento, una línea de variable dato que permite la introducción de un valor 0 o 1 en el primer bit del registro cuando se ejecuta la orden, y una línea de validación/puesta a cero. La orden actúa por flanco positivo, es decir, cuando se produce una transición del estado 0 al 1 en la variable de control. Previo a la transcripción de las secuencias a las instrucciones de lenguaje empleado es preciso "identificar" las variables que intervienen, tal como se indica en la tabla 6. Una vez definidas las variables se hace la transcripción de las secuencias de control al lenguaje de contactos de relé que se muestra en la figura 64. El mismo programa en lenguaje de nemónicos es como sigue:

Actualmente, son varios los fabricantes que ofrecen la posibilidad de programación en varios tipos de lenguaje, y más aún, con el empleo de ordenadores como equipos de programación, existe la posibilidad de visualización en pantalla y de listado del programa en soporte de papel, con distintos formatos de representación de la secuencia de control, 75


Tabla 6. Identificación de las variables de la aplicación.

— — — —

Lista de instrucciones. Esquema de contactos. Bloques funcionales. Diagramas de fases.

Por ejemplo, la ecuación que define el estado de una variable discreta de salida Y1 = Y2 . [(X1. X2 ). Y4 + X3 + Y1] puede expresarse en distintos lenguajes como se muestra en la figura 65. Figura 64. Programa, en lenguaje de contactos.

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Por último hay que mencionar que con la utilización de ordenadores como equipos de programación algunas firmas han desarrollado y proponen el empleo de lenguajes informáticos próximos al Basic, en los que las secuencias de control se definen por sentencias literales del tipo que se muestra a continuación:

METODOLOGÍA DE PROGRAMACIÓN

De lo expuesto en apartados anteriores, se deducirá que la programación del Autómata, mediante alguno de los lenguajes presentados, no es una tarea difícil, lo cual es cierto. Pero es más cierto aún, que la mejor forma de resolver un problema es definirlo y entenderlo. Escribir instruc77

Figura 65. Función de la variable Y1, según distintos lenguajes de programación; a) nemónicos; b)bloques funcionales; c) esquema de contactos; d) diagrama de etapas.


ciones es un trabajo fácil cuando se han descrito adecuadamente las secuencias de control que permitirán resolver determinado problema de automatización. Así pues, sea cual sea la magnitud del problema de automatización, hay una serie de pasos previos que hay que realizar para minimizar los errores. En primer lugar hay que definir cuál es el trabajo a realizar y cuáles son los requerimientos; no es lo mismo definir una determinada tarea simplemente mencionando que se pretende la producción de cierto material compuesto a partir de determinado número y cantidad de ingredientes, que especificar además que el compuesto se producirá a razón de m toneladas/día con un grado máximo de humedad del 10% H.R. En segundo lugar, partiendo de una tarea ya definida, será necesario establecer la manera en que puede llevarse a cabo, es decir, hay que obtener un algoritmo de control de la máquina o proceso.

Para resolver adecuadamente un problema de automatización hay que definir previamente la tarea a realizar, y establecer la manera en que puede llevarse a cabo, es decir, obtener el algoritmo de control.

Será preciso determinar cuáles son las fases o sub-tareas que se deben dar, y en qué orden, para obtener el control requerido. Esta etapa de la definición del problema, requiere ya una valoración de los dispositivos de campo que pueden intervenir como variables de entrada y salida. Dicha valoración, permitirá tener en cuenta las restricciones que pueden imponer los dispositivos existentes al algoritmo de control propuesto. El tipo de aplicación, en cuanto que se trate de una remodelación de un sistema convencional ya en funcionamiento, o de una nueva aplicación, influye en la forma de preparar los trabajos de programación del Autómata. En el caso de que se trate de una remodelación de un sistema, por lo general, el problema está acotado ya que la mayoría de los requerimientos están perfectamente definidos, pues sin duda su "no cumplimiento" habrá influido definitivamente en la decisión de modernizar la instalación. Para estas aplicaciones se pueden seguir las siguientes etapas: 1) Estudio y comprensión de la tarea realizada en el proceso o máquina actual. 2) Análisis del algoritmo y lógica de control empleados para su optimización e incorporación de nuevos requerimientos. 3) Asignación de direcciones de E/S a los dispositivos de campo que constituyen las variables de entrada y salida, y asignación de direcciones a las variables internas. 4) Transcripción de los esquemas lógicos actuales (una vez optimizados) al lenguaje de programación del Autómata empleado. En el caso de nuevas aplicaciones, tendrá mayor influencia la experiencia que tenga el programador respecto a aplicaciones similares, dado el carácter subjetivo que tienen las tareas de programación. De cualquier forma es mejor seguir un método de trabajo como el que se propone mediante las siguientes etapas: — Obtener una descripción funcional del sistema, con el mayor detalle posible, y comprenderla. — Mediante un proceso reiterativo, definir el método de control hasta optimizarlo. 78


— Obtener un diagrama de flujo o de fases de las secuencias de operaciones que determinan el método de control. — Asignación de direcicones de E/S a los dispositivos de entrada y salida, y a las variables internas. — Obtener los esquemas lógicos que desarrollan el diagrama de flujo, en el formato habitual del programador. — Transcribir los esquemas al lenguaje de programación del Autómata empleado. La descripción de la tarea de control se obtiene generalmente en forma de documento escrito, intentando que sea lo más simple y explícita posible. La obtención de un diagrama de flujo o de fase a partir de esa descripción, permite sintetizar de forma gráfica las secuencias definidas en el documento escrito. La creación de este gráfico permite la familiarización con el sistema de control y conduce a una clarificación del mismo permitiendo identificar la tarea de control principal (el tronco del proceso) y las secuencias secundarias o auxiliares. A partir del diagrama de flujo el programador podrá expresar cada secuencia en el formato lógico al que esté más habituado. Supongamos una secuencia simple definida por el diagrama de flujo de

Figura 66. Diagrama de flujo de una tarea de control definida por la función de la variable Y.

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la figura 66. A partir de él, la secuencia puede representarse mediante la función lógica Si se prefiere o se está habituado a trabajar con circuitos lógicos de contactos se expresara según los esquemas de la figura 67.

Figura 67. Función de la variable Y expresada en esquema de contactos.

Figura 68 (Abajo). Función de la variable Y expresada en símbolos lógicos.

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Para aquéllos habituados a trabajar con circuitos electrónicos, será más cómodo emplear la representación que se muestra en la figura 68. Ejemplo de análisis de una tarea de control

Ya se ha comentado que, en general, cuando se trata de nuevos proyectos, se parte de una descripción previa de la tarea de control. En el supuesto del ejemplo que se propone, se parte de una descripción y especificaciones, conociéndose los dispositivos y componentes mecánicos habitualmente empleados en tareas similares. Descripción

En la figura 69 se representa esquemáticamente la instalación. La tarea define la obtención de un producto, para su empleo posterior en un sistema de producción más amplio, partiendo de un material compuesto por áridos que debe mezclarse con un aditivo liquido. La producción es típicamente por lotes a petición del operador de la unidad, partiendo del peso del compuesto que se precisa, mientras que la cantidad de aditivo se obtiene indirectamente en el sistema por cálculo a partir del mencionado peso afectado por un factor de corrección en función del grado de humedad del compuesto de áridos. Figura 69. Instalación de producción de un producto a partir de un compuesto de áridos y un aditivo líquido.

Algoritmo de control

Después de un análisis reiterativo de los requerimientos de la tarea de control, se concluye que el proceso se iniciará por orden del operador, una vez establecida la consigna del peso del compuesto, y siempre que se 81


Figura 70. Diagrama de flujo del proceso de pesada, dosificación y mezcla.

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cumplan ciertas condiciones iniciales. Una vez obtenido el peso requerido (que se mide en una báscula) el compuesto se descarga sobre una cinta de transporte que se pondrá en movimiento. Mediante el grado de humedad del compuesto, que se mide con un instrumento sobre el material en la cinta de transporte, y el valor de consigna de pesada del compuesto, se calcula el volumen de aditivo VOL = f (P, RH) a aportar en un mezclador donde descarga la cinta. En el diagrama de flujo de la figura 70 se representan las secuencias del algoritmo de control. Se observará que la realización de las operaciones de cálculo del volumen de líquido, se hace en un subprograma (subrutina) de la secuencia principal. Requerimientos del equipo de control

El equipo de control debe ser capaz de manejar la información requerida, es decir, señales de E/S discretas, numéricas y analógicas, además de efectuar operaciones de cálculo para implementar la función de la variable volumen de aditivo. Esquemas lógicos

A partir del diagrama de flujo se pueden expresar las secuencias en esquemas lógicos; en el ejemplo se ha optado por el formato de símbolos CEI de operadores lógicos tal como se muestra en la figura 71. Asignación de direcciones de E/S

Este trabajo se hace necesario para poder identificar las variables que intervienen en el proceso a la hora de transcribir los esquemas lógicos al lenguaje de programación del Autómata que se emplee. En la tabla 7 se listan las distintas variables de E/S de campo y sus direcciones. Tabla 7. Listado y asignación de direcciones a las variables de campo.

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En la tabla 8 se hace lo propio con las variables internas: Tabla 8. Listado y asignación de direcciones a las variables internas.

Efectuado el "direccionado", se procederá a la transcripción de los circuitos lógicos obtenidos, al lenguaje de programación propio del Autómata que se seleccione para esta aplicación. EL GRAFCET

Como alternativa al empleo de los diagramas de flujo y su expresión mediante esquemas lógicos, y a otros métodos sistemáticos de estudio y solución de una tarea de control, se propone el GRAFCET o Graphe de Comande Etape-Transition, desarrollado por el grupo AFCET (Association Française pour la Cybemetique Economique et Tecnique). En síntesis se trata de un diagrama funcional, es decir una representación gráfica de las secuencias a efectuar por la Unidad de Control. En el método GRAFCET se parte de considerar el sistema a automatizar formado por dos elementos, órgano operativo y órgano de control, que se relacionan entre sí mediante órdenes e informaciones.

Para la representación de las secuencias de control mediante el GRAFCET se parte de la base de considerar el sistema (máquina o proceso)) descompuesto en un órgano operativo y un órgano de control, que interaccionan mediante órdenes e informaciones. El órgano operativo es el proceso físico a automatizar, y el órgano de control es el que gobierna las secuencias que conducen el proceso físico. El GRAFCET se ocupa del estudio del órgano de control a dos niveles: 1) En una primera aproximación, o GRAFCET de nivel 7, se prescinde de los elementos tecnológicos de implementación del órgano operativo, atendiendo tan sólo a las especificaciones funcionales, es decir, a la 84


Figura 71. Esquemas lógicos en simbología CEI a partir del diagrama de flujo del proceso.

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Figura 72. Gráfico del sistema según el concepto de órgano de Control y órgano Operativo (Fuente: ADEPA).

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descripción del sistema en base a las funciones a desarrollar, informaciones y órdenes. 2) En una fase posterior, o GRAFCET de nivel 2, se dan las especificaciones tecnológicas del órgano operativo y su entorno, y las especificaciones operacionales, fundamentalmente cualitativas, del equipo destinado a actuar como órgano de control Mediante un ejemplo de automatización de una prensa de compresión se ilustran los conceptos fundamentales del GRAFCET. Los principales elementos de definición y expresión gráfica son: ETAPAS: Estados estables y perfectamente definidos del sistema a los que se asocian las Acciones. TRANSICIONES: Condiciones lógicas de evolución del sistema para pasar de una etapa a la siguiente. ENLACES: Que unen, con dirección significativa, las etapas y los nodos de transición, y éstos con aquéllas. En la figura 72 se muestra el sistema a automatizar, al que corresponde la siguiente descripción funcional: 1) Con la matriz en la posición superior, existe un volumen para la admisión del compuesto, cerrado en su parte inferior por un punzón inferior fijo. El punzón superior se halla situado en el límite superior de su recorrido. 2) Una vez depositado el compuesto pulverulento en la matriz, el punzón superior desciende comprimiendo el material y regresa a la posición superior. 3) La matriz desciende hasta su límite inferior con lo que libera a la pieza formada, para que sea retirada. 4) La matriz regresa a su posición superior y el ciclo puede empezar de nuevo. En la figura 73 se representa el CRAFCET de nivel 1 correspondiente a la descripción anterior. Se puede observar la descripción de las acciones a desarrollar en cada etapa y las condiciones de paso o transición a la siguiente. A efectos de simplificación no se tienen en cuenta otras posibles acciones, como la visualización de estados del sistema. El siguiente paso consiste en desarrollar las especificaciones del GRAFCET de nivel 1, mediante una descripción detallada de los dispositivos de campo que permiten realizar las acciones descritas, y aquéllos que proporcionan información acerca de las condiciones de transición. En la figura 74 se muestra el GRAFCET de nivel 2. El diagrama funcional que se ha obtenido permite su expresión en ecuaciones lógicas de memorias o variables retentivas asociadas a cada etapa; por ejemplo la acción asociada a la etapa 4 del GRAFCET de la figura 74 puede expresarse como:

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Figura 73. GRAFCET de Nivel 1 (Fuente: ADEPA).

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Figura 75. Documentación de un programa en esquema de contactos, mediante etiquetas y comentarios, identificación de variables de entrada, de salida e internas.

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Actualmente algunas firmas fabricantes de Autómatas han incorporado la posibilidad de implementación del GRAFCET en sus equipos de programación. La programación se realiza mediante la introducción del GRAFCET propiamente dicho, y la definición de las acciones y transiciones empleando ecuaciones booleanas, o bien símbolos del lenguaje de contactos; de esta forma hay que considerar un nuevo lenguaje de programación, el GRAFCET. Documentación de los programas

Cuando se dispone de unos esquemas de conexionado, claros, explícitos y organizados, se facilita la comprensión del funcionamiento de una máquina o proceso, y por supuesto se hace más viable la investigación y corrección de averías o funcionamiento anómalo del sistema. De igual forma, disponer de una buena documentación del programa de aplicación introducido en la memoria del Autómata, facilitará cualquier trabajo durante la puesta a punto del sistema, y el mantenimiento de la instalación. La documentación del programa consiste fundamentalmente en la obtención de listados de impresora, ya sea en esquema de contactos o en lista de instrucciones, y listados de referencias cruzadas, es decir, listados que indican en qué punto del programa y con qué función, se han empleado las direcciones de entrada/salida e internas asignadas a las variables del proceso. Un nivel superior de documentación permite asociar a cada dirección de E/S una leyenda o etiqueta descriptiva, como por ejemplo: 002/08

— Válvula

Descarga

SV-14

003/14

— FC Límite

Avance 1

LS-23

REG0348

— Tiempo

Ultimo

Ciclo

que permite la rápida identificación de las variables de E/S con los dispositivos de campo o la función de variables internas. Además se permiten comentarios descriptivos de las secuencias programadas para una mejor comprensión de la función de control, tal como se muestra en la figura 75. Por último, comentar que con el empleo de las técnicas de CAD se han desarrollado paquetes de programas que permiten completar la documentación comentada con esquemas eléctricos del conexionado del sistema de control, representación esquemática de los equipos (tipo y situación de los módulos), mapas de instalación, etc. Firmas como XCEL Inc., Indelec, RDY Automation Inc., Taylor, etc., ofrecen dichos paquetes de programas para el empleo en ordenadores personales tipo IBM-PC; en algunos casos, los programas permiten no tan sólo la documentación, sino también la programación.

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Una buena documentación del programa y su actualización permanente, contribuyen a facilitar los trabajos de puesta a punto del sistema de control, y el posterior mantenimiento.

Aplicación del Autómata Programable Industrial

INTRODUCCIÓN En el capítulo anterior se ha propuesto una metodología de trabajo para determinar las secuencias que definen determinada tarea de control, y transcribirlas a un programa de aplicación para un Autómata Programable que lleve a la resolución del problema de automatización, minimizando las posibilidades de error. Pero la primera cuestión que puede plantearse ante una nueva aplicación, una vez descrito el algoritmo de control, es cuál será la solución tecnológica que mejor se adapte a la implementación práctica de dicho algoritmo. En la figura 76 se hace una síntesis del campo de aplicación de varias soluciones tecnológicas en función de unas características técnicas. Pero sin duda habrá que tener en cuenta factores económicos. Figura 76. Rentabilidad comparada de las distintas soluciones tecnológicas en función de la complejidad de la tarea de control.

Supuesto que la tarea de control justifica la adopción de una tecnología programable, es necesario determinar, mediante una evaluación de ventajas e inconvenientes, cuál de las soluciones, diseño de un sistema microprocesador, empleo del Autómata Programable o la aplicación de un ordenador industrial, es la mejor para la realización práctica del sistema de control. Además de una evaluación de factores técnicos y económicos hay que 93


considerar otros factores importantes, como el impacto que la solución adoptada, caso de significar una nueva tecnología en la planta, puede causar en el personal técnico de producción y mantenimiento (necesidad de formación o reciclaje de personal, incorporación de especialistas, etc.). En la actualidad es cada vez más difícil acotar los campos de aplicación de los equipos programables. En los ordenadores de proceso se hallan funciones propias de los Autómatas y los fabricantes de estos equipos incorporan cada día soluciones particularizadas (módulos inteligentes altamente especializados), lo que permite que realicen funciones antes reservadas a los Controladores de Proceso. No obstante el objetivo de la fábrica automática que requiere el desarrollo de los conceptos de control jerarquizado, control distribuido y control integrado del proceso productivo, hace necesario el concurso de gran número de equipos programables, y su coexistencia en el sistema de control global con más o menos dificultades de comunicación entre sí. La solución aportada por el Autómata Programable Industrial presenta una serie de ventajas: La adopción de determinada tecnología para la automatización de una máquina o proceso, requiere considerar no sólo los aspectos funcionales sino también la interrelación presente y futura con otros sistemas de control.

1) Diseñados y construidos para su aplicación en ambiente industrial. 2) Son equipos flexibles, por su carácter programable. 3) Son fáciles de instalar y reutilizables. 4) Construidos de forma que sea fácil el mantenimiento y la localización de averías. 5) Pueden emplearse en múltiples tipos de tarea de control en una misma planta, lo que facilita el aprendizaje, permite un mayor conocimiento y explotación de prestaciones. 6) Su capacidad de comunicaciones permite la integración en la tarea global de control, o sistema de producción integrado. SELECCIÓN DEL AUTÓMATA En el supuesto de que se adopte la solución Autómata para implementar el algoritmo de control de determinada aplicación, se plantea ahora la necesidad de seleccionar, de entre la amplia oferta del mercado, el equipo más adecuado. Como en otros casos, la decisión debe basarse en análisis sistemático de una serie de factores, pero considerando no sólo las características actuales de la tarea de control, sino también las necesidades futuras en función de los objetivos de la empresa. Factores cuantitativos Se refieren a la capacidad del equipo para soportar todas aquellas especificadas para el sistema de control, y se pueden agrupar en las siguientes categorías: — Entradas/Salidas: cantidad, tipo, prestaciones, ubicación, etc. — Tipo de control: control de una o varias máquinas, proceso, etc. — Memoria; cantidad, tecnología, expandibilidad, etc. — Software: conjunto de instrucciones, módulos de programas, etc. — Periféricos: equipos de programación, diálogo hombre-máquina, etc. — Físicos y ambientales: características constructivas, banda de temperatura, etc. 94


Entradas/Salidas Determinar la cantidad de señales de Entrada y de Salida, tanto discretas como numéricas y analógicas, que debe ser capaz de tratar el equipo es el primer trabajo a realizar al iniciar la implementación del sistema de control. No hay más remedio que contar el número de dispositivos cuyo estado hay que leer o gobernar. Una vez obtenidas estas cantidades es muy recomendable reservar espacio para futuras ampliaciones (entre 10 y 20%).

Figura 76a. Unidad central de un autómata compacto con E/S. (Fuente: Omron Electronics).

Los fabricantes ofrecen una gran diversidad de soluciones en cuanto a las características constructivas y funcionales de los elementos del Sistema de Entradas/Salidas. Aparte de los indicadores LED de estado para señales discretas, hay que procurar que las entradas incorporen filtros para evitar lecturas falsas en caso de señales "sucias" (rebote de un contacto). Para las salidas discretas es preferible incorporen una protección de sobrecarga, que en el caso de ser un fusible, es mejor que sea de acceso frontal (evitará dejar fuera de servicio todas las salidas del módulo al retirarlo para cambiar el fusible), y además es deseable incorporen un indicador de fusible fundido para su inmediata localización. En cuanto a las E/S de señal analógica, se encuentran las adecuadas para 95


el tratamiento de señales procedentes de instrumentación de campo (caudal, temperatura, presión, etc.) y para la regulación (variación de velocidad, válvulas motorizadas, etc.) con las bandas de trabajo más usuales; En las características del módulo el fabricante debe especificar los parámetros de precisión de la conversión (12 bit, 1 parte entre 2.000, milivoltios por bit). Algunos fabricantes ofrecen módulos para señales de bajo nivel (termopares, RTD, etc.). Para aquellas aplicaciones complejas en que la realización resulta difícil, tanto en lo referente al material como a la programación, los fabricantes ofrecen un conjunto de E/S especiales con inteligencia incorporada, que permiten reducir el volumen del equipo y descargar a la Unidad Central de complicadas secuencias de instrucciones, reduciendo considerablemente el tiempo de ejecución. Estas E/S quasi-autónomas, están diseñadas para funciones de control PID, posicionamiento multi-eje, control de motores paso-paso etc.

La implementación de un sistema de control distribuido requiere que puedan considerarse en el proceso a automatizar, áreas funcionales con un algoritmo propio, y que los equipos puedan integrarse en una red de comunicaciones.

En el caso de grandes sistemas de control, es de particular importancia disponer de E/S remotas. La ubicación de estructuras de E/S junto a los dispositivos de entrada y salida, y unidas a la Unidad Central con un cable de comunicaciones (un simple par trenzado), disminuye drásticamente los costes de cableado, tanto en material como en trabajo de instalación. Por otra parte, facilita las tareas de puesta a punto y mantenimiento, ya que se pueden realizar por áreas funcionales sin afectar al funcionamiento del resto del sistema. Tipo de control En aplicaciones en las que se pretende el control de varias áreas o máquinas interdependientes, pero con funciones autónomas, se plantea la disyuntiva de optar por el control centralizado o por el control distribuido. La importancia de dichas funciones por sí solas, o la posibilidad de subdividir la tarea de control del proceso o conjunto de máquinas en esas funciones autónomas, determinará en muchos casos la elección de un tipo u otro de control. El control centralizado presenta el inconveniente de que si el Autómata falla (particularmente la Unidad Central), se produce una parada total de la instalación. En los sistemas de control centralizado donde la disponibilidad del equipo es fundamental (procesos continuos), se optará por el empleo de Unidades Centrales Redundantes. Una Unidad está en ACTIVO controlando las E/S mientras que la otra está en reserva o BACK-UP, de forma que si la primera deja de funcionar, la segunda asume el control de las E/S. La opción de control distribuido requiere que puedan considerarse máquinas o grupos de máquinas, o áreas funcionales del proceso susceptibles de ser definidas por un algoritmo de control. A cada una de ellas se destinará un Autómata dimensionado de acuerdo con los requerimientos de aquella área. Debido a la interdependencia que existe entre las operaciones que tienen lugar en cada área, hay que tener en cuenta que es necesario 96


interconectar los Autómatas entre sí o a través de una red de comunicaciones en Área Local (LAN — Local Area Network) para intercambio de datos y estados de E/S; por tanto el Autómata evaluado debe permitir las comunicaciones. Memoria En este aspecto, es necesario considerar dos características principales: tamaño y tipo de la memoria. En general las Unidades Centrales incorporan una cantidad de memoria acorde con su capacidad de control y la potencia del conjunto de instrucciones con las que opera. Para mejor adaptarse a cada aplicación, por razones económicas, un mismo equipo suele presentarse con distintas opciones de cantidad de memoria 1 K, 2 K, 4 K, etc. o bien ofrecer la posibilidad de ampliación de una cantidad de memoria base ya instalada. La ampliación se hará sobre el propio procesador mediante circuitos integrados o bien mediante módulos de memoria. En cualquier caso la posibilidad de expansión futura de la memoria debe existir para no encontrarse con la necesidad de sustituir toda una Unidad Central. No existe una regla fija para la evaluación de la cantidad de memoria necesaria para determinada aplicación, aunque existen ciertas fórmulas de aproximación, como por ejemplo multiplicar el número total de E/S discretas por un factor (entre 5 y 10 dependiendo del equipo empleado). El valor obtenido debe ser incrementado considerablemente en el caso de que el programa incluya cálculos de cierta complejidad, con variables numéricas y datos (número total de variables numéricas por un factor entre 15 y 30). También para la memoria es altamente recomendable considerar un porcentaje adicional de reserva. Debido a la flexibilidad del Autómata, es frecuente que el usuario, una vez resuelto el problema de control fundamental de su instalación, se plantee el obtener tal o cual información del proceso u optimizar tal o cual operación, ya que "los datos y señales existen ya en el control". Esto es cierto, pero hay que programar las instrucciones que ejecuten esas nuevas funciones en la memoria restante, o acudir a una ampliación. El tipo o tecnología de la memoria empleada dependerá de la aplicación concreta. En ciertas aplicaciones es necesario introducir cambios en la secuencia de control con cierta frecuencia, sin posibilidad de detener su funcionamiento; esto sólo es posible cuando se está trabajando con una memoria del tipo RAM, por tanto volátil y que requiere un soporte de batería. En cambio los fabricantes de maquinaria una vez desarrollado, probado y depurado el programa, estarán más interesados en trabajar con memorias permanentes del tipo EPROM o EEPROM, que proporcionan un medio muy fiable de almacenamiento del programa. En algunos equipos se ofrece la posibilidad de disponer de ambos tipos de memoria, permanente y volátil, en una misma Unidad, de forma, que el usuario final tiene la posibilidad de modificar con facilidad algunas secuencias pero no todo el programa. 97


En aplicaciones complejas, un conjunto de instrucciones potentes facilita la programación, reduciendo el tiempo empleado en el desarrollo del programa, y en general permite obtener un menor tiempo de respuesta del equipo.

Software Con el algoritmo de control definido, el programador tendrá una referencia clara del tipo de instrucciones que son necesarias para programar las secuencias lógicas definidas, pero también de aquellas funciones especiales, particularmente cálculos y tratamiento de datos, comunicaciones, regulación, etc., que requieren instrucciones especiales. Un potente conjunto de instrucciones facilitará la tarea de programación, y por tanto reducirá el tiempo empleado, y en general reducirá el tiempo de respuesta. También hay que considerar las instrucciones que permiten el control del ciclo de ejecución (subrutinas, salto, inhibición de secuencias, interrupciones, etc.), la posibilidad de organización del programa en módulos funcionales y la existencia de una biblioteca de secuencias pre-programadas (lazo de regulación PID), que simplemente con personalizar parámetros y direcciones de variables pueden emplearse en el programa propio. Periféricos Los fabricantes ofrecen distintos niveles de equipos de programación, cuya utilidad depende del tipo de empleo a que se destinen; así los pequeños terminales tipo calculadora son de gran utilidad, y económicos, cuando se emplean como unidad de monitorización y para pequeñas modificaciones en planta, o para la programación de pequeños sistemas. Sin embargo, trabajar con ellos en programas complejos, puede ser tedioso. Las consolas con pantalla CRT aportan una mayor comodidad así como un gran número de opciones de interconexión a otros periféricos, particularmente impresoras y unidades de cinta (cassette o streamer). Algunos de estos equipos denominados terminales inteligentes, permiten la programación autónoma (off-line), incoporan medios de archivo de programas (discos o cinta) y también capacidad de representación de gráficos. En las consolas CRT los fabricantes incorporan gran cantidad de ayudas a la programación y a la depuración de los programas, y posibilidad de documentación de los programas mediante etiquetas y comentarios, pero su coste puede superar al de la Unidad Central. Actualmente se ofrecen elementos para la programación mediante los ordenadores PC, lo que abre la posibilidad de disponer de un potente equipo de programación (varios lenguajes, gestión de producción, etc.) a un coste aceptable, si se considera que es un equipo multiuso. Respecto a otros periféricos en cada caso hay que comprobar que el Autómata permite la interconexión a los que se considere formen parte del sistema de control: impresoras, monitores, unidades de disco, visualizadores y teclados alfanuméricos, unidades de cinta, etc. Físicos y ambientales Las características constructivas, en cuanto a los materiales empleados, formas de presentación y dimensiones, deben ser analizadas en función de las condiciones mecánicas de la aplicación: aspectos como la forma de 98


realizar el conexionado de los dispositivos de E/S (bornas a tornillo o terminales enchufables fast on), la existencia en los módulos de reservas para identificación de E/S, y otros, pueden ser importantes en relación al personal que debe realizar la instalación y al que debe mantenerla. En cada caso hay que valorar las condiciones ambientales de la instalación, polvo, humedad, temperatura, y considerar la necesidad de tomar precauciones al respecto (presurización del armario). En general los fabricantes realizan una serie de pruebas cuyos resultados se reflejan en las características técnicas de los equipos: banda de temperatura de trabajo y almacenaje, vibración soportada, nivel de interferencia, etc. Figura 77. Grafo para la selección del Autómata.

Una forma de identificar el equipo que mejor cumple con los requerimientos de una aplicación, es la confección de un gráfico en el que en varios ejes se representan graduaciones de todas las características comentadas en los párrafos anteriores. Se elabora un grafo que resume las exigencias de la instalación y lo mismo se hace con cada uno de los equipos candidatos; luego se superponen los grafos, lo que da una idea rápida de cuales cubren una mayor área de exigencias para la aplicación en cuestión. Factores cualitativos Una vez evaluados los factores correspondientes a las características técnicas y constructivas de los componentes del Autómata y equipos periféricos, el número de equipos posibles para determinada aplicación 99


quedará reducido a los ofrecidos por dos o tres firmas, y habrá que decidir entre equipos de prestaciones muy similares. En muchas ocasiones la decisión se basa en criterios comerciales, y en general limitados al aspecto económico de la adquisición, pero hay que tener en cuenta otros aspectos que en definitiva tendrán una mayor influencia a medio plazo. Es el momento de evaluar factores menos tangibles que se ocultan en las mismas características del equipo y en las del fabricante o el suministrador del Autómata. Ayudas al desarrollo del programa Proporcionadas por las herramientas de programación ofrecidas y que en un primer nivel se refieren a los analizadores de sintaxis en curso de programación es decir, la indicación inmediata de la transgresión de las normas o formatos de programación. Siguen, la potencia de los mandatos de edición y modificación, referencias cruzadas, visualización dinámica, e histogramas de contactos. Otras ayudas, son los medios de documentación del programa, tanto en lo que se refiere a listados de instrucciones, listado de referencias cruzadas, como a la posibilidad de edición de un manual de la instalación que incluya el conexionado de E/S, situación física de módulos componentes, etc. En las fases de puesta a punto suele ser interesante disponer del mandato de imposición de condición o forzado, tanto en lo que se refiere a E/S como a variables internas. Este mandato permite que el usuario determine el estado o valor de la variable independientemente del que le corresponde por el desarrollo del proceso o del programa. Estas ayudas reducen los tiempos de programación, y puesta a punto, que constituyen siempre un coste significativo en los sistemas programables. Fiabilidad del producto Este es un factor de particular importancia, si tenemos en cuenta que una falta de fiabilidad se traduce directamente en tiempos de parada, y por tanto, costes de producción. Un indicador de la fiabilidad lo constituyen los parámetros del Tiempo Medio entre Fallos (MTBF — Mean Time Between Failure), que a buen seguro el fabricante está dispuesto a proporcionar, al igual que otros datos, acerca de su control de calidad en curso de fabricación (chequeos, burn-in de componentes, etc.). Pero otro indicador lo constituyen las experiencias de otros usuarios y la existencia de otras instalaciones similares en las que el equipo ha probado su valía; consúlteles acerca de su experiencia con el equipo y la firma. Servicios del suministrador Ya en los primeros contactos con los potenciales suministradores se puede obtener una idea de la capacidad y voluntad del soporte técnico que el vendedor está en condiciones de ofrecer. Es particularmente indi100


cativa la respuesta que el suministrador es capaz de dar a cuestiones preliminares, que no se hallan de forma explícita en los catálogos. La formación del personal de programación o de mantenimiento, es un capítulo importante, ya que cuanto mejor se conozcan y comprendan las características y prestaciones del equipo, mayor rendimiento se obtendrá de él. Los suministradores ofrecen cursos de formación en sus instalaciones, aunque también es posible acordar cursos en planta que permiten al usuario formara un mayor número de técnicos. Los cursos suelen contratarse, aunque en ocasiones se ofrecen gratis con la compra del equipo; éste es un punto a acordar en el momento de cerrar la adquisición. Una vez instalado el equipo, adquiere importancia la Asistencia Técnica. Esta asistencia puede abarcar desde un servicio de consulta a un técnico de aplicación por vía telefónica, hasta el desplazamiento de un técnico de servicio al lugar de la instalación. Los suministradores pueden tener organizaciones de venta y asistencia propias, o a través de terceras firmas especializadas en el campo de la automatización; en cualquier caso hay que asegurar el nivel de asistencia necesario para la instalación particular. Otro elemento de gran valía es la disponibilidad de una buena información técnica que cubra tanto los aspectos de instalación y programación, como el mantenimiento. La información debe estar bien organizada, debe ser clara y con ilustraciones de calidad, y es deseable que incluya ejemplos y notas de aplicación (para una mejor explotación de las instrucciones de programación). Por último hay que considerar las disponibilidades del producto y de recambios. Aunque de hecho la instalación puede iniciarse aún sin tener el Autómata Programable, hay que asegurar su disponibilidad en el momento adecuado para no demorar la puesta a punto y arranque del sistema de control. La disponibilidad de recambios en un tiempo mínimo es fundamental ya que, aunque deben existir recambios en el almacén de mantenimiento, no es posible ni rentable cubrir la totalidad de componentes. Normalización en planta Pueden considerarse dos posturas respecto a la normalización de una determinada firma para cubrir todas las necesidades de empleo de Autómatas: 1) Actualmente, los fabricantes ofrecen familias de productos compatibles entre sí que cubren todas las necesidades, desde pequeños sistemas, hasta aquellos capaces de controlar miles de E/S, que pueden comunicara través de Redes Locales, y se configuran empleando componentes de E/S comunes a todos los modelos. En este aspecto la adopción de una sola marca cubre todas las necesidades y presenta las siguientes ventajas: — La formación del personal respecto a nuevos componentes es simplemente una ampliación de conocimientos previos. 101

La formación de los técnicos de aplicación y mantenimiento, junto con una buena documentación técnica del equipo y del programa de aplicación, contribuye a una mejor explotación del sistema de control.


— Se reduce el stock de recambios distintos. — Una unidad que se amplíe, en todo caso requerirá simplemente el cambio de la Unidad Central por otra más potente o añadir más memoria a la existente, y reprogramar. 2) Por otra parte existe un factor de riesgo en la dependencia única de un solo suministrador. Además, los productos de distintos fabricantes no son intercambiables por ahora, lo que complica la situación. Hay que evaluar la posibilidad de trabajar con más de una marca (dos a lo sumo) de forma que el personal técnico esté formado en el empleo de más de un tipo de equipo, y tener una alternativa cada vez que se presenta una nueva aplicación. Las desventajas originales que representa tener que conocer dos o tres sistemas distintos, probablemente con lenguajes distintos y equipos de programación propios, van desapareciendo por la mayor similitud de los equipos actuales, las opciones de programación a través de ordenador personal, la disponibilidad de módulos de interconexión entre unidades de distintos fabricantes, y la interconectabilidad de Redes Locales propugnada por los esfuerzos de normalización en el campo de Redes de Comunicación. CONFIGURACIÓN, INSTALACIÓN Y PUESTA A PUNTO Configuración del Autómata Programable La configuración del Autómata es un proceso mediante el que se determina cómo y dónde se sitúan los distintos componentes del sistema de control: La configuración dependerá de la tarea de control propiamente dicha y del tipo de control que se haya decidido, y contempla tanto los elementos del Autómata como sus periféricos. Durante la elaboración del algoritmo de control, se han determinado las entradas y salidas (variables), tanto discretas como numéricas, y éstas se han relacionado mediante los diagramas o esquemas lógicos: La cantidad y tipo de las E/S determina qué componentes son necesarios. Por la relación existente entre la posición física de los componentes de E/S y las direcciones de la Memoria de E/S y datos, previa a la asignación de direcciones es necesario determinar la ubicación de los módulos de E/S en los racks y de éstos como sistema local o de E/S remotas. La mejor manera de realizar la configuración es confeccionar un mapa de direccionado, en el que mediante una representación de las estructuras de E/S se indica qué componentes se ubican en local junto a la Unidad Central y cuáles se sitúan en posiciones remotas. Sobre este mapa se indicarán las direcciones asignadas a cada estructura y módulo. Para cada estructura y área se hará un listado de dispositivos de E/S y direcciones asignadas en relación con los módulos empleados, y las posiciones de reserva. Concluida la configuración del sistema, pueden comenzar simultáneamente dos trabajos: la programación y la instalación. En la figura 78 se muestra cómo los dos trabajos confluyen en la puesta a punto del sistema en la que supuesta una correcta instalación se llevarán a cabo las necesa102


Figura 78. Trabajos a efectuar para la aplicación de un Autómata.

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rias correcciones en el programa para concluir con la documentación del sistema. Instalación Dadas las características constructivas y de diseño de los Autómatas Programables, su instalación es viable en prácticamente cualquier ambiente industrial, siempre que no se sobrepasen las especificaciones dadas por el fabricante. No obstante, existen ciertas recomendaciones prácticas para asegurar un correcto funcionamiento del sistema, que atañen principalmente a las condiciones de temperatura y humedad, y a la inmunidad frente a interferencias eléctricas. En general, el Autómata se montará en un armario de maniobra de dimensiones adecuadas para contener con holgura los componentes del equipo y el resto de elementos, como interruptores/seccionadores y fuentes de alimentación, circuitos de protección, componentes electromecánicos, conductos de cableado, etc. Se recomienda el empleo de armarios metálicos ya que minimizan los efectos de la radiación electromagnética generada por equipos de conmutación instalados en las inmediaciones. Para la instalación, se seguirán las normas y reglamentos vigentes de aplicación habitual en cualquier instalación eléctrica de control. La convección natural es suficiente en la mayoría de los casos, ya que los fabricantes especifican sus equipos para una temperatura ambiente máxima de 60 °C. Si se prevé la existencia de focos de calor en el armario, se recomienda la instalación de convección forzada para unificar la temperatura ambiente en el interior del armario y facilitar la evacuación del calor. También, si se prevé la posibilidad de condensación, hay que instalar elementos calefactores controlados por termostato. Situación de los componentes Los componentes del Autómata se montarán siguiendo las recomendaciones del fabricante, y en todo caso se pueden seguir las siguientes pautas de aplicación general: 1) Es recomendable el montaje vertical de los componentes para facilitar la convección y disipación del calor. 2) Las fuentes de alimentación deberán ocupar una posición por encima del resto de componentes y en la parte superior del armario, ya que son generadoras de calor. 3) La Unidad Central ocupará una posición adyacente o por debajo de las fuentes de alimentación, en la zona superior del armario, quedando a una altura que facilite su inspección. 4) Los racks de E/S estarán dispuestos de la forma más conveniente para el acceso y cableado, en el espacio libre. 5) Se dejarán espacios suficientes entre los componentes y entre éstos y la envolvente, tanto para una adecuada disipación del calor como para una correcta conducción del cableado. 104


6) Para el resto de componentes del sistema, se recomienda su instalación en posiciones lo más alejadas del equipo que sea posible, principalmente si se trata de componentes electromecánicos, para minimizar las interferencias electromagnéticas. Figura 79. Distribución de componente en un armario de control con Autómata programable.

Cableado Siempre que sea posible, en la configuración del sistema se intentará agrupar los módulos por categorías en cuanto a entradas/salidas, tensión alterna o continua, señales discretas o analógicas. Una configuración por grupos, permite un cableado racional y una necesaria segregación de los cables de señal débil respecto a los que alimentan cargas, y de los de comunicaciones. Siempre que sea posible se separarán los cables de ce de los de ca, para minimizar las interferencias producidas por la conmutación de cargas, y también los cables de interconexión de racks y de comunicaciones se separarán completamente de otros. Puesta a tierra Se seguirá lo especificado en la normativa vigente y las recomendaciones del fabricante, pero hay que recordar que cada una de las estructuras (racks) del Autómata, debe estar unida mediante un cable independiente de sección adecuada, a la pletina de tomas de tierra del armario. Nunca deben compartirse circuitos de tierra entre racks o con otros componentes del sistema. Circuitos de seguridad Los dispositivos de parada de emergencia se instalarán con indepen105

La segregación de los cables de señal débil y de comunicaciones respecto a los de potencia, minimiza la probabilidad de interferencias, y en consecuencia el riesgo de un funcionamiento anómalo.


dencia del Autómata, para permitir la parada del sistema aún en caso de avería del mismo; en general, deben actuar sobre un contactor de maniobra que corta la alimentación a las cargas de la instalación. Otros dispositivos de emergencia, como interruptores final de carrera de seguridad de recorrido, se intercalarán directamente en el circuito de alimentación del dispositivo de salida que gobierna el movimiento, independientemente de que esta señal se lleve también al Autómata. Circuito de los dispositivos de E/S En general, o por lo menos para los dispositivos de salida, es deseable que exista un contactor de maniobra que permita cortar la alimentación de esos elementos y que hará posible trabajar con seguridad en la puesta a punto o investigación de averías, con el Autómata alimentado. Alimentación Figura 80. Armario de control con Autómata Programable; en este caso la aplicación requería el empleo de unidades Centrales Redundantes (Fuente: Allen-Bradley).

Se recomienda el empleo de transformadores separadores de alimentación, ya que proporcionan una buena protección frente a interferencias introducidas en las líneas por la conmutación de cargas importantes existentes en la instalación. Además es deseable que los dispositivos de E/S se alimenten de la misma línea que el Autómata, ya que la fuente de alimentación del mismo posee circuitos de detección del nivel de tensión,

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que provocan la secuencia de parada del equipo en caso de anomalía en la red, y de este modo se evitarán las falsas lecturas de señal de entrada. Algunos Autómatas incorporan una fuente auxiliar de 24 Vcc para uso externo de los dispositivos de entrada sobre módulos de entrada a 24 Vcc. Hay que vigilar que no se supere la capacidad de esta fuente, particularmente cuando se alimentan de ella dispositivos estáticos (detectores inductivos, fotoeléctricos, etc.), y deben seguirse las recomendaciones de cableado del fabricante para minimizar la posibilidad de interferencia sobre estos circuitos.

En caso de que se prevea la existencia de variaciones de tensión en la línea de alimentación que puedan superar los márgenes de trabajo especificados para el equipo, habrá que instalar transformadores estabilizadores, para evitar frecuentes paradas del sistema; en estas circunstancias es mejor alimentar las salidas del Autómata directamente desde la línea de entrada, para descargar el transformador permitiendo que sea de una menor potencia. Consideraciones sobre la instalación de E/S Cuando se emplean dispositivos electrónicos de detección como elementos de entrada, hay que tener en cuenta la corriente residual de los mismos (detectores de 2 hilos de corriente alterna). En general, el problema se reduce a que el indicador de entrada se ilumina tenuemente, pero en ocasiones, cuando la corriente residual es elevada, o dependiendo de los umbrales de disparo del circuito de entrada, pueden darse señales 107

Figura 81. Esquema eléctrico de la instalación, en la que se incluye un contactor general de maniobra.


Figura 82. Instalación de un dispositivo estático de entrada con corriente residual elevada.

Figura 83. Instalación de un dispositivo de entrada de señal débil.

falsas. Por ejemplo, al activar el dispositivo se alcanza el umbral superior de disparo, y se activa el circuito en el Autómata, pero al deasactivarse el dispositivo la corriente residual provoca una caída de tensión sobre la impedancia del circuito de entrada, que impide que éste se desactive. En la figura 82 se muestra la forma de impedir que esto se produzca, instalando una resistencia de derivación entre el borne de entrada y el borne común (en paralelo con la impedancia del circuito de entrada).

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Cuando los dispositivos de entrada trabajan a niveles de señal débil como TTL, analógicas, termopares, etc., hay que realizar conducciones de cableado separadas para evitar el problema de la inducción. Además, para evitar las interferencias electromagnéticas, se recomienda la instalación mediante cables trenzados y apantallados. Tal como se indica en la figura 83 la malla (pantalla) se conectará sólo en el lado del módulo de E/S y en el borne dispuesto al efecto. Los circuitos de salida controlan habitualmente cargas inductivas (solenoides), que provocan la aparición de picos de tensión cuando se interrumpe el circuito de alimentación (descarga del circuito inductivo). Estas crestas, que pueden alcanzar varios centenares de voltios, deben ser suprimidas, ya que pueden averiar los circuitos de salida (estáticos) y provocar interferencias en todo el sistema. Los fabricantes suelen incorporar supresores de transitorios en los circuitos de los módulos de salida pero a veces no son suficientes para evitar anomalías. En la figura 84 se ilustra la forma de instalar circuitos supresores adicionales; en el caso de cargas en ce un diodo es suficiente para amortiguar la descarga del circuito inductivo, mientras que en ca se emplean redes RC junto con varistores MOV.

Las sobretensiones debidas a la conmutación de cargas inductivas pueden ser causa de averías e interferencias, por lo que es necesario eliminarlas mediante el empleo de circuitos supresores de transitorios.

Figura 84. Supresores de transitorios.

En general los módulos de salida incorporan circuitos fusibles de protección dimensionados adecuadamente a las características nominales de la salida (transistor, triad; si no es así, hay que instalarlos en el exterior (regleta de bornes) teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante ya que no protegerán adecuadamente la salida en caso de sobrecarga si no están bien dimensionados. Puesta a punto Una vez finalizados los trabajos de montaje e instalación del equipo y 109


cargado el programa en la memoria de la Unidad Central, hay que poner en marcha el sistema para comprobar que responde adecuadamente a la descripción de la tarea de control original, y en su caso realizar las correcciones y mejoras oportunas. Antes de dar alimentación, hay que hacer una serie de comprobaciones rutinarias pero importantes: 1) Comprobar que todos los componentes del Autómata están en su lugar (el que corresponde a la configuración) perfectamente insertados en sus conectores y asegurados. 2) Comprobar que la línea de alimentación está conectada a los correspondientes terminales de la fuente de alimentación del equipo, y que se distribuye adecuadamente a los módulos de entrada y salida (si procede). 3) Verificar que los cables de interconexión entre racks están correctamente instalados. 4) Verificar que los cables de conexión a periféricos están correctamente instalados. 5) Verificar que las conexiones de los bornes de E/S están firmes y corresponden al esquema de cableado. 6) Verificar que las conexiones a los módulos de E/S están firmes y corresponden al esquema de conexiones. Previo al ensayo de funcionamiento según lo programado, hay que comprobar que los dispositivos de E/S funcionan correctamente. a) Con el equipo en PARO (STOP, HALT, DISABLE, TEST, etc. dependiendo del modelo) aplicar tensión al sistema. b) Verificar que los indicadores de diagnóstico de la Unidad Central reflejan una situación correcta. c) Comprobar que los paros de emergencia actúan correctamente. d) Accionar los dispositivos de entrada manualmente y verificar que su estado es registrado por el Autómata; el funcionamiento se puede seguir en los indicadores de los módulos y también se puede seguir visualizando la tabla de E/S mediante un equipo de programación. Para la comprobación de los dispositivos de salida, hay que cortar la alimentación de las cargas que pudieran dar lugar a situaciones peligrosas y verificar con el procesador en MARCHA (RUN) que las salidas se activan. Esta comprobación resulta más fácil si se utiliza un terminal de programación en el modo "forzado de E/S" para activar o desactivar las salidas una a una. Una vez finalizadas todas las comprobaciones anteriores, hay que introducirel programa en la memoria de la Unidad Central y dar alimentación al sistema. Se recomienda que siempre que sea posible, las pruebas de funcionamiento se hagan por áreas, particularmente si se trata de sistemas grandes, dejando fuera de servicio los componentes de las áreas que no se prueban; esto puede realizarse cortando la alimentación de campo de los racks de E/S o inhibiendo su funcionamiento, incluyendo las oportunas instrucciones en el programa (MCR) que se eliminarán una vez concluidas las pruebas. 110


Figura 84a. Terminal de programación dotado de lápiz óptico. (Fuente: Klöckner Moller).

Verificadas y corregidas las distintas secuencias, el sistema puede arrancar en automático debiendo funcionar correctamente si todas las comprobaciones se han efectuado con éxito. Las correcciones efectuadas, tanto en la instalación como en el programa deben ser documentadas inmediatamente, y se obtendrán copias del programa definitivo (copia, en disco o cinta) tan pronto como sea posible. IDENTIFICACIÓN Y RESOLUCIÓN DE AVERÍAS Aunque los Autómatas Programables son equipos robustos y bien adaptados al medio industrial, es necesario establecer ciertas rutinas de mantenimiento preventivo para disminuir la probabilidad de fallo o avería. Unas pocas operaciones de mantenimiento, programadas de forma regular harán que el sistema esté disponible completamente por largos períodos de tiempo. Inspección periódica de la Unidad Central y Sistema de E/S 1) Observación de los indicadores de diagnóstico del procesador. 111


2) Cambio de las baterías antes de que se cumpla la fecha límite para su sustitución; en todo caso existe un indicador de "batería baja" que puede registrarse en una secuencia de programa y generar una alarma. 3) Observación de los indicadores de "fusible fundido" de los módulos de salida. En general, la existencia de un fusiblefundido se detectará por un funcionamiento anómalo del sistema pero para algunas cargas de funcionamiento esporádico esta circunstancia podría pasar desapercibida si no se inspecciona el módulo. 4) Observar las conexiones en el cableado de los módulos de E/S y las conexiones de los módulos al rack para comprobar si siguen perfectamente asentados y sujetos. Inspección periódica del armario 1) Cuando en el armario se han instalado elementos de convección forzada, hay que comprobar periódicamente el estado de los filtros y limpiarlos de polvo para mantener una buena circulación.

La identificación y localización de una avería es un proceso de acotación y eliminación para el que son de gran ayuda los indicadores de diagnóstico del Autómata y los códigos de error generados por la Unidad Central.

2) Hay que evitar que se produzca acumulación de polvo y suciedad en el Autómata. Para facilitar la disipación del calor generado por los circuitos, los componentes del equipo presentan aberturas que permiten la entrada de polvo, y en caso de acumulación, pueden resultar averiados los componentes electrónicos, ya que la suciedad evita la correcta disipación del calor y puede ser causante de cortocircuitos. 3) Comprobar que no se está trabajando con equipos pesados generadores de interferencia electromagnética en las proximidades del armario, ya que esto podría afectar el funcionamiento del equipo. Cuando se presenta una anomalía en el funcionamiento del sistema hay que recordar que el programa ha estado respondiendo a las secuencias de control de forma satisfactoria hasta la fecha, y a menos que alguien lo haya manipulado, no puede ser el causante del fallo. La anomalía debe tener su origen en alguno de los componentes del sistema. La identificación de un fallo es un proceso de acotación y eliminación, para el que son de gran ayuda los indicadores de diagnóstico del Autómata y los códigos de error que sea capaz de elaborar la Unidad Central. Las averías que pueden considerarse graves son aquellas que pueden provocar la parada total del sistema, y afectarán en general a la Unidad Central (particularmente al procesador), módulos de memoria y módulos de interconexión del sistema de E/S. Estas averías quedan reflejadas en los indicadores de diagnóstico del módulo afectado, y además el tipo de fallo puede ser identificado mediante el código de error generado a través de un equipo de programación o test; no obstante la resolución de la avería supone el cambio del módulo causante sin más posibilidad de intervención del usuario. Cuando se trata de funcionamientos anómalos estando el Autómata operativo, hay que identificar la secuencia de control afectada y los dispositivos de E/S que intervienen en ella. En cuanto a los módulos de entrada, el primer paso es observar si el 112


indicador responde adecuadamente a las acciones del dispositivo de campo (pulsador, final de carrera, etc.). Si el indicador no responde a dichas acciones hay que verificar el nivel de tensión que aparece en los bornes de entrada del módulo; si es el adecuado es posible que exista una avería en el módulo y hay que sustituirlo. En ocasiones resulta ser el procesador el que no reconoce la señal de entrada, pudiendo estar la avería a nivel de módulo o del rack, aunque en este último caso quedaran afectados varios circuitos de entrada y salida. En el caso de fallos en las salidas, si el indicador de la salida afectada evoluciona de acuerdo con las secuencias programadas, hay que observar los indicadores de fusible fundido y comprobarlo y si está en condiciones, verificar el cableado hasta el dispositivo de campo. Si la salida no se activa de acuerdo con el programa, entonces el módulo o el circuito de salida en cuestión están averiados y hay que proceder a su sustitución. La sustitución de un módulo de E/S se hará con el equipo sin tensión aunque hay sistemas que permiten el cambio aún bajo tensión. En cualquier caso es recomendable que se desconecte la alimentación de los dispositivos de campo afectados al retirar y reinsertar el módulo en el rack. EL ENTORNO DEL AUTÓMATA. COMUNICACIONES El nuevo enfoque de la producción como flujo de materiales a través de distintas fases manipuladoras y transformadoras que están fuertemente relacionadas entre sí, ha creado una enorme demanda de información, que afecta a todas las unidades funcionales de la empresa. Por otra parte, la optimización del control y la diversificación de riesgos han llevado al diseñador o integrador de sistemas de control a la "distribución de inteligencia" en las distintas fases o áreas de producción. Debido a la citada interdependencia entre las distintas áreas, el equipo que ejerce el control de cada una de ellas precisa en un momento dado de información de los otros, de ahí la necesidad de comunicación entre los distintos equipos. Cada una de las áreas tiene necesidades de automatización específicas, y en consecuencia tiene instalados equipos de control distintos, y generalmente de distintos fabricantes: equipos de soldadura, robots, autómatas programables, CNC, etc., con lo que resultan las llamadas "islas de automatización". En ellas se establecen comunicaciones, equipo a equipo, o a través de Redes de comunicación en Área Local (LAN —Local Area Network). Para mejorar la gestión de producción surge el concepto de Fabricación Integrada mediante Computador (CIM — Computer Integrated Manufacturing), que precisa para su desarrollo la integración de las "islas de automatización" y por tanto el desarrollo de las comunicaciones. Inicialmente, para intercambiar información entre dos Autómatas, se empleó la interconexión a través del Sistema de Entradas/Salidas, llevando salidas de un equipo a entradas del otro, y viceversa. Pero cuando el nivel de información pretendido se elevó, con la petición de datos como número de piezas producidas/rechazadas, tiempo de funcionamiento/parada, tiempo de un ciclo completo de la máquina, etc., este método de intercambio se reveló inoperante. Se incorporó la capacidad de comuni113


cación entre Unidades Centrales, y posteriormente se desarrollaron las redes de comunicación, mediante las cuales con un cable extendido alrededor de la planta se enlazaban los Autómatas entre sí y con un ordenador.

Figura 85. Entorno de comunicaciones de un proceso automatizado.

La creciente demanda de información incorpora a este campo el concepto de "control jerarquizado", por el que se añade a la red un equipo de supervisión, y concentración de datos. Su misión es verificar y apoyar las tareas de los Autómatas y otros equipos de control, y actuar como base local de datos de producción. En las unidades de supervisión se incorpora cierta capacidad de tratamiento de la información que le permite la confección de informes, estadísticas, gráficos dinámicos en color, gestión de alarmas, etc.

Las distintas características de los equipos incorporados en las "islas", hace que se encuentren redes de comunicación incompatibles, impidiendo el desarrollo del concepto CIM. Una circunstancia importante que ayuda a mantener esta situación, la constituyen las distintas necesidades de tratamiento de la información de las diversas áreas funcionales de la empresa que demandan prestaciones distintas a la red de comunicaciones de que se sirven. Así, a nivel de oficinas, la información que se transfiere de un punto a otro la constituyen paquetes medianos y pequeños, pero hay gran cantidad de terminales pidiendo y enviando información. Algo similar puede encontrarse en los departamentos técnicos, aunque aquí tienen lugar transferencias de grandes paquetes de información (gráficos CAD). En 114


estos casos el tiempo de respuesta no es un factor crítico y redes como la Ethernet (IEEE 802.3) se adaptan perfectamente a este trabajo. Cuando nos acercamos al nivel de los talleres de producción, los requerimientos son de transferencia ocasional de grandes paquetes (programas de aplicación de equipos de control), y mucho más frecuente de paquetes pequeños con información del estado del sistema y evolución de los parámetros de control. Aquí los tiempos de respuesta son importantes, y adquieren el carácter crítico cuando descendemos al nivel del control en tiempo real, en donde también es crítico el factor de fiabilidad de la transmisión. Figura 86. Topologías de las Redes en Área Local — LAN.

El tipo de red que se precisa es el de acceso determinístico, es decir, con tiempos de respuesta bajos y precisables. Una red que responde a estas características, es la Red de acceso por paso de testigo (token passing-IEEE 802.4) en sus formas topológicas de "bus" o de anillo. Esta situación produce un efecto de "Torre de Babel" bajo el que parece imposible desarrollar el concepto del CIM. Desde finales de los años 70 se ha trabajado en modelos de red que permitan una estandardización; ISA —Instrument Society of America—, trabajó en el proyecto PROWAY de normalización para una Red de Datos Industrial y de Proceso, mientras que IEEE —Institute of Electrical and Electronic Engineers—, desarrollaba el proyecto 802 para la nomalización de Redes en Área Local. En la actualidad, y basándose en los anteriores proyectos, se está desarrollando el protocolo MAP —Manufacturing Automation Protocol—, que persigue la normalización de una Red Local a la que puedan ser conectados todos los sistemas de control que se hallan en una planta. La especificación MAP, se estructura en siete niveles (layers), basándose en el modelo de referencia OSI —Open System Interconection—. Para cada uno de los niveles se define una norma o se emplea una ya existente. Por ejemplo, 115

El protocolo MAP persigue la normalización de una Red Local a la que se puede conectar todos los sistemas de información de una empresa, incluidos los sistemas de control en la planta de producción.


para el nivel 1 (físico) que especifica el enlace físico define la ISO/IEEE 802.4 10 Mbaud cable de banda ancha, y el nivel 2 (enlace de datos) que especifica las estructuras a transmitir y la forma de acceso a la Red Local define el paso de testigo, o bien el CSMA/CD —Carrier Sensing Multiple Access with Colusion Detection.

Figura 87. Entorno de comunicaciones bajo el concepto CIM.

Los problemas de interconexión, por diferencias entre las características de dos redes basadas en el MAP (diferencias entre dos subconjuntos MAP distintos), se solventarán empleando dispositivos denominados puentes (bridges), mientras que para la conexión al MAP de una red no basada en el modelo de referencia OSI, se destinan los denominados gateway, o controladores de comunicaciones encargados de convertir los protocolos al MAP y viceversa.

REPASO A ALGUNAS APLICACIONES EN LA INDUSTRIA En un principio, los Autómatas se emplearon principalmente en grandes industrias, sustituyendo los complejos armarios de control a base de relés, donde se hallaba la rentabilidad de los todavía costosos equipos. Pero gracias a la incorporación del chip microprocesador y su rápida evolución, se aumentaron las prestaciones y redujeron los precios de los Autómatas, extendiéndose su empleo a prácticamente todos los sectores de la actividad industrial. Hoy se habla de rentabilidad en la sustitución de sistemas de control, construidos alrededor de cinco a diez relés de maniobra. En este apartado se mencionan las características y campos de aplicación en distintos sectores, y se dan unos ejemplos reales con una descripción general del sistema. 116


A continuación se comentan los distintos sectores industriales en donde el Autómata encuentra su aplicación. Sector de plásticos y vulcanizados El Autómata controla con precisión los parámetros de funcionamiento del proceso, secuencias lógicas de las unidades de mezcla, y la formulación de componentes como polvo de carbón, aceites y pigmentos empleados en la producción de gomas y bunas. Puede controlar variables como la temperatura, el tiempo y velocidad de moldeo o extrusión, la presión, etc., así como las secuencias mecánicas en maquinaria de inyección, moldeo y soplado de plásticos. Sector químico y petroquímico Se emplean en el control de procesos de producción por lotes, controlando la dosificación, mezcla y transporte de componentes, pudiendo además gestionar la adquisición de información del proceso de forma automática o a petición del operador. En el campo del sector petroquímico se pueden encontrar en plataformas de extracción en el mar, gracias a las redes de comunicación vía radio, en el control de estaciones de bombeo de crudo, en el control de hornos, bombeo y refrigeración en el proceso de "cracking", etc. La capacidad de comunicación de los Autómatas con sistemas de adquisición de datos tipo SCADA (Supervisor/ Control And Data Acquisition), permiten la supervisión total de sistemas de transporte de crudo. Producción y control de energía Se aplican en centrales térmicas en el transporte de combustible desde los parques de carboneo, en las centrales nucleares donde controlan sistemas de refrigeración. Pueden controlar el consumo de energía de los sistemas de refrigeración, calefacción, o iluminado de grandes edificios o plantas de fabricación, donde controlan la temperatura y la conmutación de cargas para mantener la demanda por debajo del nivel de potencia contratado. En la unidad de compresores de una planta pueden controlar los enclavamientos de seguridad, el funcionamiento en rotación cíclica de los compresores, y mediante la implementación de la curva del compresor mantener los equipos en régimen de máximo rendimiento. Sector metalúrgico Se aplican en la producción de acero, donde controlan los parámetros de funcionamiento de los hornos calculando las necesidades de energía, aportación de oxígeno y fundentes. También en el control de maquinaria para la laminación de bandas en frío, donde controlan las operaciones de movimientos mecánicos y la velocidad de los motores del laminador. También en la obtención de semitransformados o productos acabados de fundición de aluminio, prensas de troquelado o compresión, etc. 117


Sector papelero y madera Los hallamos en distintas fases de estos procesos productivos; calculando el volumen de viruta de madera, aditivos de fermentación, y generando las curvas de temperatura de proceso en los digestores para obtención de pasta de papel, o controlando variables de peso y humedad para obtener las gradaciones requeridas en el papel acabado. También en múltiple maquinaria de la madera, aserraderos, molinos, corte, producción de conglomerados y de laminados, etc. Sector del vidrio Se emplean en el control del proceso productivo, mediante la selección y pesada de componentes de acuerdo con fórmulas almacenadas para cada tipo de cristal, control de máquinas Lehr de reducción de tensiones internas, controlan el acabado, verificación, selección y almacenaje del producto. Manipulación de materiales Se aplican al control de sistemas de almacenaje intermedio (pulmones), registrando el número de unidades y zona de espera, para su posterior Figura 88. Sistema de control para una instalación de transporte mediante carros filoguiados. (Fuente: Omron Electronics).

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suministro a las unidades transformadoras. En líneas de metalizado (baños electrolíticos), donde controlan todas las secuencias de movimientos para la carga y descarga de piezas, reduciendo el consumo de electrolitos y energía. En sistemas de almacenaje vertical, donde controlan la transpaletización y proporcionan informaciones al ordenador de gestión, etc. Sector del automóvil Donde se integran varias de las aplicaciones comentadas bajo el control de ordenador, se encargan del control de sistemas transfer de soldadura, cabinas de pintado, prueba de motores, etc., y en el transporte a todas las unidades de ensamblaje. Maquinaria Los Autómatas encuentran su aplicación en una gran variedad de máquinas de producción y máquinas herramienta, desde el control de transfers lineales o rotativas del ensamblaje de piezas, mecanización, etc., hasta su integración con robots y CNC en células flexibles, donde controlan la carga y descarga de piezas y el cambio de herramientas de mecanizado. EJEMPLOS DE APLICACIÓN A continuación se hace una descripción de algunas aplicaciones reales, en la que se pone de manifiesto la adaptabilidad del Autómata a distintas tareas de control. Ejemplo 1 — Línea de metalizado (Fuente: Square D Co.) El sistema de control se basa en un equipo SY/MAX Modelo 300, realizado en sustitución de un sistema convencional que había alcanzado una tasa elevada de fallos y averías. La línea de baños electrolíticos está formada por dieciséis cubas, en seis de las cuales tiene lugar el proceso propiamente dicho, y el resto se dedica a funciones diversas como la preparación, limpieza, lavado, etc. de las piezas. Dispone de dos carros de transporte que se mueven encima de las cubas, transportando los bastidores con piezas, y cuyos recorridos se hallan solapados para aumentar la velocidad del ciclo. El operador del sistema dispone de un teclado y display mediante el que fija los parámetros del sistema y los códigos de movimiento de los carros, en función de las piezas a tratar en aquella operación. El operador puede fijar los tiempos de inmersión y escurrido en los distintos tanques, en función de la temperatura y concentración del metal base. El sistema incorpora un selector manual/automático que permite el posicionado inicial, y pruebas en fases concretas del proceso; además se ha diseñado una secuencia de parada que permite la finalización de la fase que se estaba realizando, y no estropear el material, cuando se da una orden de parada. Con el empleo del Autómata se ha conseguido aumentar la productividad, y reducir el consumo de electrolitos y de energía. 119


Ejemplo 2 - Túnel de lavado de coches (Fuente: Allen-Bradley Co.) El sistema de control emplea un A-B PLC-2/20 y se realizó para aprovechar la característica de flexibilidad del Autómata, dado que los equipamentos de este tipo de instalaciones evolucionan constantemente, y existe también la necesidad de adaptación a nuevos modelos. Cuando un vehículo entra en la instalación de lavado, se registra su longitud mediante un sistema fotoeléctrico, lo que permite la adaptación a cada coche de los ciclos de lavado y secado. El encargado de la instalación introduce información en el Autómata sobre el tipo de lavado, normal, especial, a la cera. La cadena de transporte que arrastra el vehículo, genera unos impulsos que se emplean para seguir la posición del coche en el túnel; el ciclo completo está subdividido en 24 fases cada una de las cuales se inicia por el valor de un contador. Así por ejemplo cuando se ha alcanzado un valor consigna determinado, se ponen en marcha los motores de los secadores que se detendrán al alcanzar un segundo valor de consigna, función de la longitud del vehículo. El sistema tiene siete grupos de preselectores BCD para ajustar los parámetros de trabajo, y puede controlar las operaciones de lavado y secado simultáneo de los diez vehículos que puede admitir el túnel, gobernando los motores y movimientos de los secadores, cepillos y proyección de agua a presión. Con el empleo del Autómata se han reducido los costes de agua, energía y mantenimiento. Ejemplo 3 — Planta de carrocerías de automóvil (Fuente: Honeywell-IPC) Esta aplicación de nueva ejecución se diseñó bajo el concepto de la producción integrada, por lo que el sistema se estructura jerárquicamente a tres niveles: gestión de la producción, explotación de las unidades transformadoras, y producción propiamente dicha. Para esta integración se vale de las comunicaciones entre los distintos componentes y niveles, realizadas mediante el método RS-422. Básicamente la planta la constituyen, un sistema de transporte aéreo de carrocerías, transportes auxiliares de componentes, una línea transfer de apunte de soldadura, una estación de soldadura robotizada, y dos almacenes intermedios (pulmones). En primer lugar, hay que considerar la unidad de ensamblaje de autobastidores, cuyo suministro se regula mediante el primer almacén intermedio que sirve a la línea transfer de apunte de soldadura, donde se ensambla con los conjuntos, lateral derecho, lateral izquierdo y techo, procedentes del sistema de transporte auxiliar. De nuevo, un pulmón se encarga de adecuar el suministro de esta unidad a la demanda de la unidad de soldadura robotizada, donde se completan las tareas de soldadura y se obtiene un cuerpo de carrocería acabado. Un total de 12 equipos modelo IPC 620-30 controla las distintas máquinas. El sistema incluye siete microordenadores IPC COP 627-70 que actúan como supervisores de las tareas de control de los Autómatas; los que supervisan a los equipos de control de los pulmones ejercen una función de gestión de datos, controlando y asignando prioridades de entrada y salida de bastidores de dichos almacenes. 120


Figura 89. Instalación de almacenaje, transporte y carga de mineral de hierro (Fuente: Square D).

Los que supervisan Autómatas de control de máquinas de producción tienen programas de diagnosis para la detección de fallos en el sistema de producción y son capaces de confeccionar estadísticas de averías y tiempos de parada. Para realizar un nivel de gestión superior las unidades de supervisión están comunicadas a un ordenador "host" (IBM PC/AT) que almacena y elabora datos de producción de toda la planta. Ejemplo 4 — Transporte de mineral de hierro (Fuente: Square D Co.) Se trata de una instalación de almacenaje y carga de mineral de hierro en barcos de transporte. El mineral llega al puerto por ferrocarril, y mediante cintas transportadoras a razón de tonelada y media por segundo, se lleva desde la estación a un parque de mineral en los muelles de carga. Los barcos "freighter" atracan de costado al muelle donde se cargan con el mineral previamente almacenado en 228 tolvas de 300 toneladas, mediante un sistema de cintas transportadoras y de 22 "plumas" que se posicionan sobre los compartimientos de las bodegas. En la instalación hay un equipo móvil de carga/descarga que opera en el parque de mineral, distribuyendo el material recibido y, enviándolo a las tolvas del muelle. Un segundo equipo móvil es un vehículo que se mueve sobre raíles y opera en el mismo muelle de carga, recibiendo el mineral desde el parque mediante un sistema de cintas, y redistribuyéndolo por las tolvas; el material sobrante lo reenvía por otro sistema de cintas al parque de mineral. La instalación se gobierna desde una sala de Control Central donde hay dos equipos SY/Max modelo 700 enlazados entre sí por Red Local, y mediante Red Local Remota vía radio, uno de ellos se enlaza con dos equipos SY/MAX, modelo 300, que se encargan del gobierno de cada uno de los equipos móviles de carga y descarga. En la sala de Control Central los SY/Max modelo 700 tienen información 121


Figura 90. Cinta de transporte principal en el muelle de descarga.

de todo el sistema, incluidos los vehículos, y controlan las cintas del muelle, las plumas de descarga, etc.; los operadores pueden acceder a cualquiera de los equipos e incluso gobernar los vehículos a través de la Red. El sistema se completa con unidades de tratamiento de datos D-LOG para la generación de informes de producción (tonelaje, tiempo de carga y destino del barco), y con un enlace de comunicación vía telefónica a la Oficina Central de la firma explotadora a 50 km del puerto.

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BIBLIOGRAFÍA [1] Sistemas Electrónicos Digitales. E. Mandado, Ed. Marcombo. [2] L'Automate Programable a la Portee de Tous. O. Kielhorn, L Müller, R. Peitzmeyer; Publicaciones técnicas Klöckner-Moeller. [3] Interconexión de periféricos a microprocesadores. Varios autores Ed. Marcombo. [4] Programable Controllers. C.T. Jones, L.A. Bryan; Ed. International Programable Controllers, Inc. [5] Revista Mundo Electrónico. Varios números. [6] Revista Automática e Instrumentación. Varios números. [7] Revista Control Engineering. Varios números. [8] Revista Programable Controllers (The user magazine). Varios números. [9] Revista Electronique Industrielle. Varios números. [10] LE CRAFCET. Publicación de la organización Agence Nationale pour le Developpement de la Production Automatisée — ADEPA. [11] Catálogos y documentación técnica de: — Allen - Bradley — Hitachi — Honeywell - IPC — Klöckner-Moeller — Omron Electronics — Siemens — Square D — Telemecanique

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Automatas programables Albert Mayol i Badía

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