Sistemas lógicos y secuenciales Prof. rof. Ma M aría ría J esús de la Fuente A parici ricio o Dpt. pt. I nge ngenie niería de Sist Siste emas y Au A utomática tica Facultad de Ciencias Universidad de Valladolid
Indice • • • •
Sis Sistem temas de de even ventos discretos cretos L ógica combinacional Sis Sistem temas secue cuencia ciales A utóm tómatas tas prog progra ram mables – A rqu rquitectu ctura y Fu Funcio ciones – Prog Program ramación
• Contro ontroll de proce rocesos batch tch (por lot lote es) • Sis Sistem temas de de segurid ridad
Sistemas de eventos discretos • Muchos chos proces ocesos no son conti contin nuos • Sus vari varia ables solo olo ad admiten ten un número fi finito de valores • L os val valores ores de las vari varia ables no ca cambian de forma continua en el tiempo, sino en instantes determinados (eventos). • Probl roblemas de con control lógi ógicos cos y se secue cuencia ciales
Estados discretos
Motor:
Depósito:
Válvula:
En marcha o parado
Con líquido o vacío
Abierta o cerrada
Instrumentación Los sensores sólo toman dos valores y cambian cuando ocurre un evento: Detector de nivel mínimo: cuando el
nivel desciende del valor mínimo se activa / o desactiva la señal del sensor
Circuito cerrado
NO / NC: Normalmente abierto / cerrado
Circuito abierto
Instrumentación Termostato:
Cuando la temperatura supera un límite se activa/desactiva el sensor
TS Proceso PS 1
Presostato
5V
0 Temp
Instrumentación Emisor Detector de presencia Receptor Final de carrera
Instrumentación ~
Válvula on/off Arrancador de motor
Electroválvula
Válvula de solenoide
Válvula neumática
Sistemas combinacionales • Las respuestas dependen solo del valor actual de las entradas a través de las funciones lógicas Y , O, NO • SI ( condiciones lógicas ) ENTONCES ( acciones) • Asociados a alarmas o lógicas de operación
Lógica combinacional AND
1
0
OR
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
1
0
NOT
1
0
0
1
A.B
AND
A+B
OR
⎯ A
NOT
Leyes de Morgan
(A + B) = A.B A.B = A + B
Puertas lógicas A B A B
&
A.B
≥1
A+B
A ≠1
⎯ A
Nomenclatura DIN
Las expresiones lógicas pueden asimilarse a circuitos eléctricos en que las condiciones cierto o falso corresponden a presencia o ausencia de señal y la conclusión se expresa en términos de la señal de salida
Circuitos lógicos C D
& A.B +C.D
A B
& A ≠1
C B
≥1
≥1
⎯ A
&
(C+B).⎯ A
Diagramas de contactos +
-
Corriente
Si el interruptor estácerrado circula corriente y se activa la bombilla
Las expresiones lógicas pueden asimilarse a circuitos eléctricos en que las condiciones cierto o falso corresponden a contactos cerrados o abiertos y la conclusión se expresa en términos de circula corriente o no
Diagramas de contactos (Diagrama de escalera) Carga
contactor
Contacto normalmente abierto
Contacto normalmente cerrado
+ Normalmente está abierto pero si se cumple una condición lógica se cierra y se activa la conclusión
Normalmente estácerrado y se activa la conclusión, pero si se cumple una condición lógica se abre y se desactiva la conclusión
Lógica combinacional con contactos A
A.B
B
La lampara se enciende si A y B están cerrados
A
B
A+B
La lampara se enciende si A ó B están cerrados
Diagramas de contactos +
A C
D
B Elemento a activar
Función lógica: (A+B).C.⎯ D
Diagramas de contactos Normalmente, la corriente que circula por un circuito lógico es muy pequeña como para activar la mayoría de los dispositivos (Bombillas, motores, sirenas, etc.) Por eso se utilizan relés como elementos de activación.
bobina de relé +
S1
S2 X1
En el diagrama de contactos (escalera) sólo se representa la bobina del relé
Relés Dispositivo que permite implementar acciones lógicas y actuar sobre elementos físicos
~ Carga mecánico
S1
bobina
estado sólido
SI (S1=cerrado y S2=cerrado) ENTONCES carga activada
S2 relé
El relépermite activar la caga con una corriente más grande
Diagrama de contactos S1 ó S2 no tienen por que ser contactos, sino cualquier otro elemento: temporizadores, contadores, pulsadores, etc. que de una señal lógica 0 - 1
bobina de relé +
S1
-
S2 X1
Pulsador normalmente abierto Pulsador normalmente cerrado
X2
S2
+-
Ejemplo P1
S1
X1
~
M
La botella debe detenerse al final de la cinta y recibir la dosis de producto
+
S1
-
P1 X1
S1
S2 X2
Relé inverso
Ejemplo: sistema de seguridad X1 TS
TT
TC
Reactante
u
T Reactor
Vapor
LS
Producto TS X1
+ LS
Se cierra el vapor si la temperatura o el nivel están fuera de límites
Procesos Secuenciales / procesos batch A
M
B
Sucesión de etapas de operación con acciones específicas y condiciones de transición entre ellas 1 2 3 4
Descarga
Espera Carga Operación Descarga
Grafos de transición de estados Espera 1 A
M
B
Tanque vacio Descarga 4
Estados Transiciones
Operación terminada
Arranque 2
Carga Tanque lleno 3
Operación
Grafos de transición de estados Las transiciones se formulan como funciones lógicas de las entradas. Una transición se activa cuando se estáen el estado y la función lógica asociada tiene un valor cierto. Cada estado lleva asociadas una serie de acciones específicas
Procesos síncronos y asíncronos • Síncronos: Los cambios de estado ocurren solo en instantes determinados establecidos por los pulsos de sincronización de un circuito reloj • Asíncronos: Los estados cambian en función del valor de las entradas, sin requerir tiempos específicos
Autómatas programables Dispositivos programables orientados a implementar funciones lógicas y secuenciales conectados a un proceso
•CPU •Comunicaciones •Tarjetas I/O •Alimentación http://www.plcs.net/contents.shtml
Alimentación
Display
TSX Nano
Entradas / salidas
RS232: Conexión con el ordenador
Arquitectura A
RAM
ROM
bus
I
CPU
O
A: Alimentación y Bateria Distintos tipos de tarjetas de entrada/salida
Tarjetas de entrada /salida (I/O) • Las tarjetas de entrada contienen relés, transistores, etc (contactos) conectados al mundo exterior: sensores, pulsadores, etc. Que reciben las señales de campo y las convierten a valores 0/1 en la memoria del PLC • Las tarjetas de salida contienen relés de salida, transistores, etc. (bobinas) conectadas al mundo exterior: solenoides, luces, etc., Ellos les envían señales on/off de acuerdo a los valores 1/0 de la memoria del PLC • El software del PLC contiene relés virtuales, contadores, etc., usados para implementar las funciones lógicas y secuenciales necesarias.
Ciclo de trabajo Memoria de programa
Memoria Imagen de las entradas
CPU
Memoria Imagen de las salidas
Tarjetas de entrada
Memoria de datos
Tarjetas de salida
Sensores del Proceso
Scan: tiempo gastado en ejecutar un ciclo. Registros: almacenamiento de la información
Actuadores del Proceso
Programación PC ó consola
Programación mediante software de configuración Transferencia al PLC mediante conexión RS-232 o red Distintas formas de ejecución del programa: cíclica, a una hora, por evento, etc Posibilidad de supervisión/ depuración del PLC desde el PC
PC +autómata
Lenguajes IEC 61131-3 • Diagrama de funciones secuenciales: Grafcet (SFC). Estructura la organización interna de un programa: cuatro lenguajes de programación: • Texto estructurado (ST) ~Pascal • Diagramas de bloques funcionales (FB) • Diagramas de escalera (LD) • Lista de instrucciones (IL)
http://www.plcopen.org
Diagramas de escalera (Ladder Diagrams) • Programación gráfica • Usados por la semejanza con los diagramas de contactos: trata de imitar los diagramas de circuitos eléctricos con relés, contadores, etc.. • Los escalones se ejecutan secuencialmentedesde el arriba a abajo, de izquierda a derecha S1
P1 X1
X1 X2
Automantenimiento Arranque y parada de un motor con dos pulsadores A
P X
X
También:
SET
RES
Lenguaje de instrucciones
Programar sistemas secuenciales con Diagramas de contactos • En procesos secuenciales: – Escalones para activar las etapas – Escalones para activar las transiciones entre etapas – Escalones para implementar las acciones asociadas a cada etapa
Ejemplo: etapas Etapas
A
T1
E2
E1 T2
E3
E1
B M
C
E2
E2 TS
T3
E4
E3
D E etapa
E3 T4
T condicion de salto de etapa Inicialización
E4
E1
E4 . . .
. . . Arranque
Salto de etapa E1
A B
M
E2
TS
E etapa T condicion de salto de etapa
Condición de salto de etapa T2
Depósito lleno
Termostato E3
Depósito vacío E4 . . .
T3
T4
T1
Acciones A
. . .
B M
Válvula E2
C
A B
TS
E3
C
D M
E etapa A,B,C,D Electroválvulas
E4
D
Temporizadores e
TMR n
e TMRA n reset
Ton Timer on delay. La salida se activa n periodos después de que se active la entrada. El temporizador se resetea si la entrada se desactiva antes de n. La salida se activa n periodos después de que se active e. Si e se desactiva antes de n, el temporizador conserva el tiempo acumulado. El temporizador solo resetea si se activa la entrada de reset.
. . . Arranque
Salto de etapa E1
A B
M
E2
TS
T2 Depósito lleno T3
Termostato E3 TMR 20
Se requiere permanecer un cierto tiempo 20 sgs en la etapa 3 antes de iniciar la descarga
Condición de salto de etapa
Depósito vacío E4 . . .
T4
T1
Contadores e CTU n reset
up UDC n
down reset
La salida se activa cuando ha cambiado n veces de valor de falso a cierto. El valor del contador se pone a cero cuando se activa la lineade reset.
IEC SFC • SFC Sequential Function Chart • Lenguaje gráfico para describir secuencias • Antecedentes: Redes de Petri • Muy similar a Grafcet • Puede usarse a distintos niveles • Estados, transiciones y acciones
SFC Llenado
Oper1
Cuando la condición lógica asociada a una transición es cierta (y el proceso se encuentra en el estado anterior) se desactiva la etapa anterior y se activa la siguiente, ejecutándose las acciones asociadas a esta. La condición lógica puede expresarse en varios lenguajes IEC
Variables asociadas a una etapa: etapa.X =1 si el proceso estáen esa etapa, 0 si no está etapa.T = tiempo transcurrido desde que se activa
SFC / Grafcet
Comienzo
Transición
Start
Condición lógica asociada a una transición Llenado
Oper1
Descarga
Stop
Acciones de una etapa
Oper2
Caminos divergentes y convergentes (solo uno estáactivo simultáneamente)
Secuencias simultaneas Start
Llenado
Divergencia simultanea: se activan Oper1 y Oper2 en paralelo
Oper1
Oper2
Oper3
Oper4
Descarga
Convergencia simultanea: cuando Oper3 y Oper4 están activas y se cumple la transición se pasa a Descarga
Acciones Acción: Nombre único que describe la acción, bien en el SFC, o mediante alguno de los lenguajes IEC
Cualificador: indica cuando se ejecuta la acción
Etapa
Variable indicadora opcional N
Abrir válvula
valveA
ValveA :=ON
Acciones / Cualificadores N
A brir rir vál válvul vula
valveA
N
Se ejecuta cuando la etapa está activa
S
Se comienza a ejecutar cu cuando la etapa está activa y continua hasta un reset
R
reset de una acción ión anterior ior
Dx
Comienza a ejecut cutarse rse x sg sg después de que la etap tapa esté sté activa ctiva y mi mientr ntras est esté é activa ctiva
L
Se ejecuta solo solo una una vez vez al activa ctivarrse la etapa tapa
A
Ejemplo
M
C
E1
D A rranque =1
Tan Tanque vacio =1
E2
N
V álvul vulas A y B abiertas rtas
Tan Tanque llen lleno =1 E3
N V álvul vula C abierta, rta, Motor otor M arran rrancad cado Tem Temperatura alta lta =1 & han trancurrido ido 20 min
E4
B
N
V álvul vula D abierta
Redes de PL Cs / buses de cam campo A SI BITBUS MODBUS UNITELWAY OPC …. Entre PLCs Con la instrumentación
TSX Nano Número de entradas: 9 (%I0.0 a
%I0.8). (Lógica positiva) Número de salidas: 7 (%Q0.0 a %Q0.6), todas digitales a relé. Posibilidades de expansión: 1 autómata como extensión de entradas/salidas. 3 autómatas como extensión de autómata.
Semáforos
TSX Nano Cada autómata dispone de un selector que indica su configuración. Posición en 0: autómata individual ó maestro. Posición en 1: autómata como extensión de entradas/salidas del maestro. Posición en 5, 6 y 7: autómata configurado como extensión de autómata.
Extensión de E/S
Extensión de autómata y E/S
Nomenclatura de E/S
Conexionado
Nomenclatura de variables
Bloques funcionales
SIF SIS SIL • Sistemas paraasegurar unaoperaciónseguray un parada controladacuando sea necesario • IEC 61508 (ISA S84.01), IEC61511 standards • SIF Safety Instrumented Function (Conjunto de acciones queprotegen frentea un determinado riesgo) • SIS Safety Instrumented Systems (Sistemas Instrumentadosde Seguridad) (compuestos por variosSIF) • SIL Safety Integrity Level (1, 2, 3) (Nivel de protección de un SIF) • El diseño del sistemade control y el sistemade seguridad ha de hacerseconjuntamentepero la implementación debe ser separada.
SIS X1 TS
TT
TC
Reactante
u
T Reactor
Vapor
LS
Producto 1 Sensores (distintosde los del sistemade control y cableados independientemente) 2 Lógicade actuaciónimplementada en un PLC independiente 3 Actuadores Debeproporcionarseel datode tiempo medio entrefallos
SIS
