Programa de la materia Control Secuencial. Justificación: El control secuencial permite implementar circuitos para el control y automatización de procesos, mediante el empleo de dispositivos electromagnéticos (relevadores, temporizadores y contadores), circuitos digitales (flip-flops RS) y controladores lógicos programables (CLP´s). Estos elementos de control son ampliamente empleados en la industria, por lo que se requiere interpretar su funcionamiento y manipulación.
Objetivo: El alumno desarrollará la capacidad para implementar circuitos para el control y automatización de procesos, empleando las técnicas de control con contactos (relevadores electromagnéticos, temporizadores y contadores), control secuencial digital (flip-flops RS) y el control por Controladores Lógicos Programables.
Capacidades:
Manejar diagramas de escalera y de tiempo
Armar circuitos de control empleando relevadores electromagnéticos, temporizadores y contadores
Armar circuitos de control empelando flip-flops tipo RS
Armar circuitos de control empelando Controladores Lógicos Programables
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UNIDAD I: CIRCUITO DE CONTROL CON CONTACTOS (33 HORAS).
Un Circuito de Control con Contactos es un proceso de automatismo con contactores y relés o relevadores que solo se configura o conectan una vez conocida la tarea que debe resolver. La tarea de mando se representa con ayuda de un esquema eléctrico o diagrama de escalera.
Los distintos dispositivos como contactores, relés, relés de tiempo, etc. se enlazan con cable siguiendo una lista de cableado fija.
Al interconectarlos se fija la función de los elementos de conmutación en el mando; por ejemplo conexiones en serie o paralelo los contactos normalmente cerrados o normalmente abiertos, respectivamente.
La lógica de su función de mando está fijada en el cableado y en la combinación de los elementos de combinación. Para probar el mando es necesario verificar la corrección del cableado y que las salidas correspondientes sean activadas tal como se configuro en el diagrama eléctrico o escalera.
1.1. Simbología y estructuras de un diagrama de escalera.
Un diagrama de escalera, también conocido como lenguaje LADDER o diagrama de contactos, es un lenguaje de programación gráfico muy popular dentro de los autómatas programables (PLC) debido a que está basado en los esquemas eléctricos de control clásicos. De este modo, con los conocimientos que todo técnico eléctrico posee, es muy fácil adaptarse a la programación en este tipo de lenguaje.
Un Diagrama de Escalera es una sucesión lógica de pasos para lograr una acción. Consta de renglones individuales, conteniendo en ellas las instrucciones de entrada y de salida.
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Para hacer un circuito de control con diagramas de escalera, además de estar familiarizado con las reglas de los circuitos de conmutación, es necesario conocer la estructura y simbología de cada uno de los elementos de que consta este lenguaje. Estas estructuras y símbolos dependen de que sistema se use, ya sea el Internacional Americano o el esquema eléctrico Europeo. A partir de un esquema eléctrico europeo se puede hacer un diagrama de escalera en sistema americano y viceversa.
Las normas del esquema eléctrico Europeo son dadas principalmente por el Instituto Alemán de estandarización (DIN: Deutsches Institut für Normung en Alemania), y la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI: Commission Electrotechnique Internationale en Suiza).
Las normas del esquema internacional americano son dadas principalmente por el Instituto Americano Nacional de Estándares (ANSI: American National Standards Institute en EUA) y la Asociación Nacional Eléctrico Manufacturero (NEMA: National Electrical Manufacturers Association en EUA).
1.1.1. Simbología de los elementos básicos de un diagrama de escalera en el sistema internacional americano y de un esquema eléctrico europeo.
A continuación se presentan las diferencias de los símbolos de los elementos básicos en las normas europeas (DIN) e internacional americano (NEMA).
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Descripción
Europea (DIN)
Americana (NEMA)
Conductores, Conectores
1- Conectores 2- Conexión de conectores 3- Terminal
4- Empalme de Conectores ó
ó
5- Línea de aplicación, símbolo general. 6- Separación entre dos campos 7- Línea de separación entre unidades funcionales. 8- Pantalla 9- Símbolo general de tierra ó masa. 10- Tierra física ó protectiva.
11- Conectores con Plug y Socket. ó
Componentes Pasivos
12- Resistencia, Símbolo general.
ó ó
13- Resistencia Variable, Símbolo general
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14- Resistencia Ajustable
15- Inductancia
ó
Unidades de Señalización
16- Indicador visual, símbolo gral.
*Con estado de color.
17- Luz o lámpara indicadora
ó
ó
*Con estado de color 18- Avisador (Buzzer). ó 19- Parlante, Claxon.
Dispositivos de Operación
20- Operación Manual, uso general. 21- Operado por empuje. 22- Operado por tirar o jalar. 23- Operado por pulso. 24- Operado por llave. 25- Operado por sensor de rodillo. 26- Operado por motor 27- Switch de emergencia 28- Operación electromagnética
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29- Control por nivel de fluido
Dispositivos de operación electromagnéticos y electromecánicos.
ó
30- Símbolo general del
ó
relevador, solenoide. × Código en letra del dispositivo.
Contactos
31- Contacto de cierre (N.A)
ó ó
32- Contacto de apertura (N.C.)
ó
Dispositivos de Control
33- Push – Button (N.A)
34- Push Button (N.C) 35- Switch de posición (N.A) Limit Switch (N.A) 36- Switch de posición (N.C) Limit Switch (N.C)
37- Contactor (N.A). × Código de letra
Maquinas
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38- Generador ó
39- Motor, Símbolo gral. ó 40- Motor DC, Símbolo gral.
41- Motor AC, Símbolo gral. 42- Motor asíncrono trifásico con rotor tipo jaula de ardilla. 43- Motor asíncrono trifásico con rotor tipo bobinado.
Estos símbolos pueden ser encontrados en los distintos diagramas europeo e Internacional americano, pero si se va a programar un autómata programable (PLC) utilizando el diagrama de escalera, los símbolos que más comúnmente se utilizaran son los siguientes:
Elementos básicos en diagrama de escalera con un PLC. Símbolo
Nombre
Contacto NA
Contacto NC
Descripción Se activa cuando hay un uno lógico en el elemento que representa, esto es, una entrada (para captar información del proceso a controlar), una variable interna o un bit de sistema. Su función es similar al contacto NA anterior, pero en este caso se activa cuando hay un cero lógico, cosa que deberá de tenerse muy en cuenta a la hora de su utilización. Se activa cuando la combinación que hay a su entrada (izquierda) da un
Bobina
uno lógico. Su activación equivale a decir que tiene un uno lógico. Suele
NA
representar elementos de salida, aunque a veces puede hacer el papel de variable interna.
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Bobina NC
Se activa cuando la combinación que hay a su entrada (izquierda) da un cero lógico. Su activación equivale a decir que tiene un cero lógico. Su comportamiento es complementario al de la bobina NA. Una vez activa (puesta a 1) no se puede desactivar (puesta a 0) si no es
Bobina SET
por su correspondiente bobina en RESET. Sirve para memorizar bits y usada junto con la bobina RESET dan una enorme potencia en la programación.
Bobina RESET
Permite desactivar una bobina SET previamente activada.
Bobina
Permite saltarse instrucciones del programa e ir directamente a la
JUMP
etiqueta que se desee. Sirve para realizar subprogramas.
1.1.2. Estructura de diagramas de escalera en el sistema internacional americano y esquema eléctrico europeo.
Las estructuras de los diagramas de escalera y del esquema eléctrico Europeo son diferentes pero parecida misma interpretación.
Diagrama de Escalera: Las Instrucciones de Entrada siempre aparecen a la izquierda del Diagrama de Escalera y las Instrucciones de Salida aparecen a la derecha del Diagrama. Cada renglón representa una instrucción, siempre y cuando no esta ligada al renglón de arriba o abajo. Para el Diagrama se utilizan Contactos Normalmente Abiertos (N.O.) y Normalmente Cerrados (N.C.) como entradas, y como salidas utilizamos bobinas para accionar lo que se quiere. Las líneas verticales de los extremos representan las líneas de corriente la de lado izquierdo es la línea 1 (L1) y la de lado derecho la línea 2 (L2).
Ejemplos:
1- Tres entradas, dos trabajando como NO y una como NC. Cada entrada cuenta con su salida independiente
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L1
L2
En este diagrama parecido a la programación de un autómata, tenemos 3 entradas que se encuentran al lado izquierdo, que vienen siendo I01, I02 e I03, y 3 salidas que se encuentran en el lado derecho, que son Q01, Q02 y Q03. Cada entrada y salida están en diferentes renglones (3 renglones: 001,002 y 003). L1 y L2 representan las líneas de corriente en este caso utilizando AC, si se utilizara corriente directa, L1 representaría la línea positiva y L2 la negativa.
En este
diagrama, cada renglón representa una instrucción, por lo que tenemos 3 instrucciones.
2- Tres entradas y dos salidas. Las tres entradas como NO.
L1
L2
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Es un circuito parecido al anterior, solo que en este diagrama, tenemos dos instrucciones en tres renglones, la salida I02 que se encuentra en el renglón 002, esta ligada con el renglón 001, por lo que nomás representa una instrucción, que significa que con la entrada I01 ó I02 se activa la salida Q01.
Esquema eléctrico Europeo: La interpretación es parecida al diagrama de escalera, solo que en lugar de leerlo de izquierda a derecha, se interpreta de arriba hacia abajo. Arriba se posicionan las entradas y abajo las salidas, las líneas horizontales representan las líneas de corriente o voltaje siendo la línea horizontal superior L1 y la inferior L2, si se utiliza corriente directa, L1 será la línea de voltaje positiva mientras que L2 será la tierra o común. Los renglones son sustituidos por columnas, cada columna puede representar una instrucción siempre y cuando no esta ligada a otra columna de enseguida.
Ejemplos:
1- Tres entradas, dos trabajando como NO y una como NC. Cada entrada cuenta con su salida independiente
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Este ejemplo es igual al ejemplo 1 del diagrama de escalera. Podemos observar 3 entradas en 3 columnas (001,002 y 003) con sus respectivas salidas. Cada columna representa una instrucción. Las 3 entradas se encuentran en la parte superior mientras que las salidas en la parte inferior.
2- Tres entradas y dos salidas. Las tres entradas como NO.
Mismo ejemplo que el ejemplo 2 de los de diagrama de escalera. 3 entradas normalmente abiertas y dos salidas. Entre las tres columnas (001, 002 y 003) representan 2 instrucciones ya que en la columna 002 esta ligada a la columna 001 y entre estas dos entradas activan la salida Q01 mostrada en la columna 001 en la parte inferior. La entrada de la columna 003 activa solitariamente la salida Q02.
1.2. Estructura de los diagramas de tiempo.
El diagrama de tiempo ó también pudiese llamarse diagrama de estado/tiempo, es una representación pictórica de la manera como los niveles lógicos varían en función del tiempo. Es de bastante utilidad cuando se desea conocer de un solo
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vistazo las características operacionales de un circuito, o se está buscando una falla en un proyecto digital.
Ejemplo de un diagrama de tiempo en base a un circuito:
En este diagrama, al presionar el PB que esta como normalmente abierto activa la salida que es una lámpara. El diagrama de tiempo sería el siguiente:
Este diagrama nos indica que cuando PB es accionado, pasa de estado 0 a estado 1, observándolo de otra manera, sería, de que no hay corriente a que hay corriente. Cuando presionamos PB, la salida X también pasa de estado 0 a estado 1. De la línea vertical A hacia la izquierda, nos indica el estado inicial de las entradas y salidas, en este caso, PB y X, estás en 0. La línea vertical B, nos indica el próximo estado de PB y X, en esta misma línea se observa que la entrada y salida cambian al mismo tiempo, esto es porque lógicamente, al accionar el pushbutton deja pasar la corriente que enciende a la lámpara x. La tercera línea vertical denominada C, es el último estado cambiante para todas las entradas y salidas del diagrama. Entre cada línea vertical (en este diagrama A-B y B-C) existe un cierto intervalo que es el tiempo de duración de los estados de las entradas y salidas. En este ejemplo no era un factor muy determinante por el tipo de aplicación. Será más determinante cuando se usen temporizadores o se quiera precisar para una aplicación fundamental en tiempos.
Otro ejemplo:
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Para activar la lámpara, se necesita que el PB1 sea presionado y PB2 permanezca sin presionar ya que es un control normalmente cerrado. El diagrama de estado/tiempo es el siguiente.
En este diagrama se puede observar que en la línea vertical A hacia la izquierda, el estado de PB1 y X es 0 mientras que PB2 es de 1. Si no se conociera el circuito, deduciríamos que PB2 es un contacto normalmente cerrado. A partir de la misma línea A, se activa PB1 por lo que X también se activa hasta que PB2 en la línea B pasa del estado 1 al estado 0, permaneciendo X en este estado ya sin cambiar aunque PB1 y PB2 si cambien sus estados en la línea C y D respectivamente.
1.3. Principio de operación de los elementos de control con contactos.
Para una sencilla aplicación eléctrica, sin que se necesite usar una lógica demasiada extensa, pueden utilizarse los distintos tipos de funcionamientos de contactos entre los cuales se destacan los contactores, relevadores y relevador temporizador.
1.3.1. Principio de operación del Contactór.
Un contactor es un aparato mecánico de conexión y desconexión eléctrica, accionado por cualquier forma de energía, menos manual, capaz de establecer,
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soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, incluso las de sobrecarga.
Las energías utilizadas para accionar un contactor pueden ser muy diversas: mecánicas, magnéticas, neumáticas, hidráulicas, etc. Los contactores mas utilizados en la industria, son accionados mediante la energía magnética proporcionada por una bobina.
El funcionamiento del contactor se origina cuando, la bobina se energiza (A1 y A2) genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo del contactor atrae a la armadura, con un movimiento muy rápido. Con este movimiento todos los contactos del contactor, principales y auxiliares, cambian inmediatamente y de forma solidaria de estado.
Existen dos consideraciones que debemos tener en cuenta en cuanto a las características de los contactores:
Poder de cierre: Valor de la corriente independientemente de la tensión, que un contactor puede establecer en forma satisfactoria y sin peligro que sus contactos se suelden.
Poder de corte: Valor de la corriente que el contactor puede cortar, sin riesgo de daño de los contactos y de los aislantes de la cámara apaga chispas. La corriente es más débil en cuanto más grande es la tensión.
Para que los contactos vuelvan a su posición anterior es necesario des-energizar la bobina. Durante esta des-energización o desconexión de la bobina (carga inductiva) se producen sobre tensiones de alta frecuencia, que pueden producir interferencias en los aparatos electrónicos.
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Los contactores presentan ventajas en cuanto a los siguientes aspectos y por los cuales es recomendable su utilización:
Automatización en el arranque y paro de motores.
Posibilidad de controlar completamente una máquina, desde barios puntos de maniobra o estaciones.
Se pueden maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas, mediante corrientes muy pequeñas.
Seguridad del personal, dado que las maniobras se realizan desde lugares alejados del motor u otro tipo de carga, y las corrientes y tensiones que se manipulan con los aparatos de mando son o pueden ser pequeñas.
Control y automatización de equipos y máquinas con procesos complejos, mediante la ayuda de los aparatos auxiliares de mando, como interruptores de posición, detectores inductivos, presóstatos, temporizadores, etc.
Ahorro de tiempo al realizar maniobras prolongadas.
1.3.2. Principio de operación del Relevador.
El Relé o Relevador, es un interruptor operado magnéticamente. Este se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (que forma parte del Relé) es energizado (le damos tensión para que funcione). Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más terminales del dispositivo (el Relé). Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamado armadura, por el electroimán. Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes mencionados.
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Para operar el relé solo es necesario energizar las bobinas (A1 y A2, dependiendo las especificaciones de energización del relé), y así los contactos que están como normalmente abiertos pasan a cerrado o viceversa. Los contactos de un relé pueden ser Normalmente Abiertos (NO, por sus siglas en inglés), Normalmente Cerrados (NC) o de conmutación.
Los contactos Normalmente Abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de contactos son ideales para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos.
Los contactos Normalmente Cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado.
Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto Normalmente Abierto y uno Normalmente Cerrado con una terminal común.
Ventajas del relé:
-
Permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para hacerlo funcionar.
-
El relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que consumen gran cantidad de corriente.
-
Con una sola señal de control, puedo controlar varios relés a la vez
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Rele Enchufable para pequeñas potencias.
1.3.3. Principio de operación del Relevador Temporizador.
Son aparatos en los cuales se abren o cierran determinados contactos, llamados contactos temporizados, después de cierto tiempo, debidamente preestablecido, de haberse abierto o cerrado su circuito de alimentación. Estos aparatos nos sirven por ejemplo para prender una lámpara durante cierto tiempo o hasta que pase un cierto tiempo. Por lo regular, los relés temporizados cuentan con dos potenciómetros tipo Pre-Set , uno es para ajustar el tiempo que va desde segundos hasta varias horas, y el otro es para determinar el factor de multiplicación de tiempo por lo regular representado de 0 al 100%, por ejemplo, si ajustamos el Pre-Set a 10 sg, y el factor de multiplicación al 50%, el tiempo que dura para activar o desactivar el rele sera de 5 seg. ¿Por qué?, por que: 50% = 0.5 0.5 x 10 = 5 segundos.
O por ejemplo, ajustando el Pre-Set a 1 seg y el factor de multiplicación a 75%. 75% = 0.75 0.75 * 1 = 750 milisegundos.
Para activar un relevador temporizador, solamente aplicar voltaje (ya sea CD o CA, dependiendo el modelo), en A1 y A2 ó A3. Por lo regular, A1 es la línea Neutra o negativa, utilizando CA ó CD respectivamente, A2 es la línea de voltaje de la CA y A3 la línea de voltaje positiva de la CD.
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Temporizador Relevador
1.4. Circuito de control utilizando elementos de control con contactos. (Practicas).
Los circuitos de control con contactos, como ya se había mencionado, nos sirven para hacer aplicaciones que no requieran de mucha lógica estructurada, sino para hacer aplicaciones sencillas.
1.4.1. Algebra de Boole aplicada a circuitos de control con contactos.
La lógica booleana, nos permite en la electrónica digital, que a partir de una ecuación de esta, representar un circuito lógico digital (1 y 0). Esta misma lógica puede ser usada para representar diagramas de escalera. Las ecuaciones más básicas son las siguientes.
AND. Esta ecuación puede llamarse en un diagrama de escalera como circuito serie.
AB = C
En una tabla de verdad de esta ecuación, nos daríamos cuenta que para que C sea 1,
A y B deben de estar en 1. Por lo tanto para que prenda el foco C,
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debemos de presionar A y B. Podemos representar en un circuito A y B como dos contactos normalmente abiertos.
OR. Esta ecuación puede llamarse en un diagrama de escalera como circuito paralelo.
A+B = C
En este circuito cualquiera que activemos, A o B hacen activar a C.
NAND.
AB = C´. Representado de otra manera: A´+ B´ = C.
´ = Significa que es negada o invertida. En un diagrama de escalera se representa como un contacto conectado como normalmente cerrado.
El circuito queda de la siguiente manera:
Verificando en una tabla de verdad, podemos probar que solamente no se activara C, cuando presionemos los dos contactos.
NOR.
A+B = C´ de otra manera: A´ B´= C.
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El circuito será:
Para activar la salida C, solamente no presionamos ninguno de los dos contactos ya que al presionar cualquiera, se paga la salida C. Esto es comprobable haciendo una tabla de verdad de esta ecuación.
OR Exclusiva.
A B´ + A´ B = C.
Para esta función, el diagrama seria de la siguiente manera:
Presionando A o B activamos la salida C. Este circuito podría tener la misma función que A + B, solamente que con la función de XOR, si presionamos los dos contactos al mismo tiempo no activa la salida C. Esto puede comprobarse haciendo una tabla de verdad de esta función.
NOR Exclusiva.
A B + A´ B´ = C.
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La tabla de verdad de esta función, nos indica que la salida C, solamente encenderá cuando se encuentren o no, presionados los dos contactos al mismo tiempo.
Todas las funciones vistas se pueden mezclar para formar otras mas complejas y de mayor utilidad. Estas funciones booleanas son las más típicas, en caso de que las funciones sean largas, pueden emplearse los postulados y teoremas como el de De Morgan para reducir los terminos.
1.4.2. Circuito de control de enclavamiento.
El diagrama de este circuito es el siguiente:
Fig. Circuito de Enclavamiento con prioridad a la a) Desconexión y b) Conexión.
Los diagramas anteriores son unas de las formas en que se puede hacer un circuito de enclavamiento. En los diagramas se muestra lo siguiente, S0 y S1, son botones pulsadores normalmente abierto y cerrado respectivamente, KM1 es un relevador. Para activar KM1, solamente presionamos S1, que nos funciona como de arranque en caso si por ejemplo KM1 fuera conectado a un motor. Ya activado KM1, el circuito queda autoalimentado. Para desactivar KM1, manualmente basta con accionar el pulsador normalmente cerrado que es el pulsador S0 y así dejar de alimentar la bobina (KM1). La ventaja que tiene este circuito es que si por ejemplo se tuviera un motor conectado a la salida de KM1 y la luz se va, es como si hubiéramos pulsado S0, ya que la bobina no esta alimentada y el motor se para hasta que accionemos de nuevo S1. Este circuito es de gran utilidad en industrias para ahorrar energía, ya que en caso de
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que la luz se vaya, si se deja el motor en ON sin un sistema de enclavamiento, el motor cuando vuelva la luz volverá a funcionar, y esto podría generar gastos inútiles, y también un desgaste inútil de la maquinaria.
1.4.3 Circuitos de control con Contactores.
Un circuito típico de control con contactores podría ser el siguiente:
Donde:
L1 y L2: Son las líneas de corriente.
LS1: Es un limit switch de control global que controla la bobina del contactor. Cuando se activa LS1 los contactos del contactor se cierran.
LS2, LS3 y PB1: Los dos primero son limit switch y el tercero es un push button. Cuando enclavamos los limit switch o presionamos el push button, enciende cada uno una lampara.
X1, X2 y X3: Simplemente son lámparas indicadoras.
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1.4.4 Circuitos de control con Relevadores.
Ejemplo de un circuito empleando un relevador.
En el ejemplo anterior, nos muestra el típico circuito de enclavamiento empleando un relevador. Cuando se presiona I1 se activa la bobina del relevador produciendo que K1 se cierre y quede enclavado o autoalimentado la bobina de K. Para desactivar el enclavamiento simplemente se presiona I2 que se encuentra como normalmente cerrado; al presionar desactivamos el enclavamiento.
1.4.5 Circuitos de control con Relevadores Temporizados.
Ejemplo de un circuito empleando un relevador de tiempo.
En este circuito mientras no se active T1, X2 quedara activada, ya que el contacto normalmente cerrado de T1 hará que lo active. Cuando activamos el LS (Limit Switch) y dejamos que pase 5 segundos, que es el tiempo programado, el contacto N.A. T1 se cerrara y el contacto N.C. T1 se abrira produciendo que X2 se desactive y X1 se active. X1 se desactivara hasta que LS regrese a su estado normal.
Prácticas y ejercicios sugeridos para realizar.
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1- Armar los circuitos con elementos de control con contactos con las ecuaciones básicas del algebra de boole.
2-
Armar una salida intermitente con tiempo modificable para el prendido y
apagado. Ya armado el circuito modificar los tiempos. UNIDAD II: CONTROL SECUENCIAL CON CIRCUITOS DIGITALES (19 HORAS). El control secuencial no es exclusivo para dispositivos eléctricos para alta tensión. Para aplicaciones que no se requieran de grandes tensiones o simplemente para unas cuantas cargas eléctricas, se pueden emplear los circuitos digitales junto con la ayuda de un relevador electrónico para el control de la carga eléctrica. Estos relevadores electrónicos como el SUN HOLD modelo RAS-0610 pueden soportar cargas de 10A / 120 VCA, 10A / 24VCD y 7A / 250V en sus contactos de común, normalmente abiertos y cerrados para una activación de la bobina de 6 VCD, son ideales para hacer un circuito con elementos digitales con activación de un elemento eléctrico que utilice por ejemplo los 120 VCA de la corriente eléctrica como una lámpara. En el siguiente diagrama se muestra un arreglo para activar un relevador por medio de una señal de una Terminal cualquiera de poca corriente.
5V Señal
R1 BC548A 8.2k
1N4004
Relay
Activación de un relevador por medio de una señal de potencia debil.
2.1. Circuitos digitales equivalentes a los elementos de control con contactos a partir de diagramas de escalera. Cualquier circuito realizado en diagrama de escalera con elementos de control con contactos, tiene un equivalente en circuito digital utilizando compuertas lógicas y
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elementos digitales. En la siguiente tabla se puede observar la compuerta lógica y su equivalente en diagrama de escalera para elementos de control con contactos. Compuerta Digital
Diagrama de Escalera.
NOT A
C
A´
A´ 74LS04
AND A
A
C
B
C
B 74LS08
A
B
C
B
C
A
OR
74LS32
A B
C
A´
NAND C
B´
74LS38
NOR A B
A´
B´
C
C 74LS33
OR EXCLUSIVA A C B
A
B´
A´
B
C
74LS86
NOR EXCLUSIVA A
C
B
A
B
A´
B´
C
74LS266
2.2. El Flip-Flop RS en circuitos de control secuencial.
Un circuito Flip-Flop puede mantener un estado binario indefinidamente (siempre y cuando este suministrando potencia al circuito) hasta que se cambie por una señal de entrada para cambiar estados. La principal diferencia entre varios tipos de flip-
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flops es el número de entradas que poseen y la manera en la cual las entradas afectan el estado binario. Un circuito flip-flop puede construirse con dos compuertas NAND o dos compuertas NOR.
Reset
U1
Set Q
a)
U1 Q
b) Set
U2 Q´
Reset
U2
Q´
Cada flip-flop tiene dos salidas Q y Q´ y dos entradas S (set) y R (reset). A estos tipos de flip-flops se les conoce como Flip-Flop RS.
En las figuras anteriores
tenemos dos circuitos equivalentes a un flip-flop rs, uno hecho con compuertas NOR (inciso a) y el otro con compuertas NAND (inciso b). El que esta hecho con compuertas NOR, Q se activará cuando se de un pulso positivo en el switch de Set mientras que Q´ será siempre lo contrario de Q. Con un pulso positivo en el Switch de Reset se desactiva la salida Q.
En el circuito con compuertas NAND, Q se activará cuando se le aplique un pulso negativo, ya que en este caso, el estado normal de set y reset debe de ser nivel alto (en uno siempre). Para desactivar Q simplemente se aplica un pulso bajo al reset. Haciendo una analogía con los diagramas de escalera, el Flip-Flop RS es el circuito de enclavamiento pero de manera digital.
2.3. Contadores Digitales para control Secuencial.
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Un circuito secuencial que pasa por una secuencia preestablecida de estados después de la aplicación de pulsos se llama un contador. Los pulsos de entrada, llamados pulsos de cuenta, pueden ser pulsos de reloj, o ellos pueden originarse en una fuente externa y pueden ocurrir intervalos establecidos de tiempo o aleatoriamente. En un contador, la secuencia de estados puede seguir una cuenta binaria o cualquier otra secuencia de estados. Los contadores se encuentran en la mayoría de los equipos que contienen lógica digital. Ellos se usan para contar el número de ocurrencias de un evento y se usan para generar secuencias de tiempo para controlar las operaciones en un sistema digital.
Uno de los circuitos integrados contadores utilizados frecuentemente es el 74LS193. Este circuito es un contador binario ascendente descendente de cuatro bits: -
Se dispara por flancos de subida.
-
Tiene dos entradas de reloj (UP/DOWN).
-
La dirección para contar depende del reloj utilizado.
-
Cuatro entradas de prefijación.
-
Se carga el dato que se quiere prefijar en P0-P3 luego se coloca un pulso bajo en LOAD (pin 11). Load normalmente esta en alto.
-
Dos salidas que indican cuando llega al máximo o al mínimo valor (TCU, TCD).
Este circuito tiene un total de 16 pines la descripción de los pines son las siguientes:
- Terminales de voltaje y tierra (16 y 8). - 4 salidas de Q0 a Q3 (terminales 3,2,6,7). - 4 entradas Data A,B,C y D (15,1,10, y 9) estas entradas nos sirven para poner un número determinado en la salida binaria. Esto se logra aplicando un pulso bajo a la Terminal PL (11) y ponerlo de nuevo en nivel alto. - Terminales de pulso de conteo ascendente CPU / descendente CPD (5 y 4), Estas terminales aplicando pulsos de flanco positivo, el conteo será ascendente o descendente dependiendo a que Terminal se le aplique el pulso. Si se aplican los pulsos a la Terminal de Count Up (5), el conteo será ascendente, es caso contrario si se le aplica los pulsos a la Terminal 4 (Count Down). 27
- Terminales 12 y 13 nos indican si hay cargas ascendentes o descendentes respectivamente. Si hay cargas en cualquiera de las dos terminales, pasa de nivel alto a bajo.
El siguiente diagrama muestra una conexión sencilla que nos muestra la salida por medio de LED´s. Los pulsos en este caso son hechos manualmente.
U2 74LS193
CPU CPD PL MR D3 D2 D1 D0
TCU TCD Q3 Q2 Q1 Q0
En este diagrama contamos 4 Switches para control en las terminales CPU(5), CPD (4), PL (11) y MR (14). Para que el contador cuente ascendentemente, se debe dar pulsos de flanco positivo en la Terminal de CPU (5) manteniendo la Terminal CPD (4) y PL (11) en nivel alto. Para tener un conteo descendente, debemos dar pulsos de flanco positivo en la Terminal de CPD (4) mientras la Terminal CPU (5) y PL (11) se mantienen en nivel alto. Para cargar un dato binario
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en las terminales de Data (terminales 15,1,10 y 9), simplemente posicionamos el dato en estas terminales y aplicamos un pulso bajo en la Terminal 11 para que se cargue el dato. Para limpiar los datos de salida (poner en 0), aplicar un pulso alto a la Terminal 14. UNIDAD III: CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES. Un PLC (Programable Logic Controller - controlador lógico programable) según la definición del estándar internacional IEC 61131 que normaliza las características fundamentales de los mismos tanto en su parte Hardware como Software, es una máquina electrónica programable capaz de ejecutar un programa, o sea, un conjunto de instrucciones organizadas de una forma adecuada para solventar un problema dado, y diseñada para trabajar en un entorno industrial y por tanto hostil.
El PLC es diseñado de forma tal que la
conexión del mismo con el proceso a controlar será rápida y sencilla por medio de entradas y salidas de tipo digital o analógico.
Ejemplo en Bloques de un PLC en un control de Procesos.
Dentro de las funciones del PLC se puede mencionar: • Adquirir datos del proceso por medio de señales digitales y analógicas. • Tomar decisiones en base a reglas programadas.
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• Almacenar datos en memoria. • Generar ciclos de tiempo. • Realizar cálculos matemáticos. • Actuar sobre dispositivos externos mediante señales digitales y analógicas. • Comunicarse con otros sistemas externos.
3.1. Antecedentes y Evolución del PLC. Los antecesores del PLC fueron los sistemas de control basados en relés (1960). Una aplicación típica de estos sistemas utilizaba un panel de 300 a 500 relés y miles de conexiones por medio de alambres, lo que implicaba un costo muy elevado en la instalación y el mantenimiento del sistema, estimado en US $30 a $50 por relé. Los autómatas programables surgen en EUA hacia 1969 como respuesta al deseo de la industria del automóvil de contar con cadenas de producción automatizadas que pudieran seguir la evolución de las técnicas de producción y permitieran reducir el tiempo de entrada en producción de nuevos modelos de vehículos. Los
primeros
controladores
completamente
programables
fueron
desarrollados en 1968 por la empresa de consultores en ingeniería Bedford y Asociados, que posteriormente pasó a llamarse MODICOM. El primer Controlador Lógico Programable fue construido especialmente para la General Motors Hydramatic Division y se diseñó como un sistema de control con un computador dedicado.
Con estos controladores de primera generación era posible: • Realizar aplicaciones en ambientes industriales. • Cambiar la lógica de control sin tener que cambiar la conexión de cables. • Diagnosticar y reparar fácilmente los problemas ocurridos.
Los primeros PLC, que sólo incorporaban un procesador para programas sencillos y dispositivos de entrada/salida, evolucionaron hasta los equipos actuales, que integran: • Módulos multiprocesadores. • Entradas y salidas digitales de contacto seco, de relé o TTL. 30
• Entradas y salidas analógicas para corriente o voltaje. • Puertas de comunicación serial o de red. • Multiplexores análogos, • Controladores PID. • Interfaces con CTR, impresoras, teclados, medios de almacenamiento magnético.
3.2. Aplicaciones de los PLC´s.
El PLC es usado en la actualidad en una amplia gama de aplicaciones de control, muchas de las cuales no eran económicamente posibles hace algunos años. Esto debido a: • El costo efectivo por punto de entrada/salida ha disminuido con la caída del precio de los microprocesadores y los componentes relacionados. • La capacidad de los controladores para resolver tareas complejas de computación y comunicación ha hecho posible el uso de PLC en aplicaciones donde antes era necesario dedicar un computador.
Existen 5 áreas generales de aplicación de PLC: • Control secuencial. • Control de movimiento. • Control de procesos. • Monitoreo y supervisión de procesos. • Administración de datos. • Comunicaciones.
La utilización del PLC se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario realizar procesos de maniobra, control, señalización, etc,.. por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo al de transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.
Sus reducidas dimensiones, las extremas facilidades de u montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o
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alteración
de
los
mismos,
etc.,
hace
que
su
eficiencia
se
aprecie
fundamentalmente en procesos en que se reduce necesidades tales como: Espacio reducido. Procesos de producción periódicamente cambiantes Maquinaria de procesos variables. Instalación de procesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso
EJEMPLOS DE APLICACIONES DE UN PLC
A).-MANIOBRAS DE MAQUINAS.
Maquinaria industrial del mueble y la madera.
Maquinaria en proceso de grava, arena y cemento.
Maquinaria en la industria del plástico.
Maquinas-herramientas complejas.
Maquinaria de ensamblaje.
Maquinas de transferencia.
B).-MANIOBRA DE INSTALACIONES.
Instalaciones de aire acondicionado y calefacción.
Instalaciones de seguridad.
Instalaciones de almacenamiento y transporte.
Instalaciones de plantas embotelladoras.
Instalaciones en la industria automotriz
Instalación de tratamientos térmicos.
Instalaciones de la industria azucarera.
Una última consideración importante en la aplicación de un PLC es el futuro crecimiento del sistema. Los PLC están diseñados modularmente y por lo tanto con posibilidades de poder expanderse para satisfacer las necesidades de la industria. Es importante que a la aplicación de un PLC se pueda considerar los beneficios de las Futuras expansiones.
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3.3 Clasificación. Se ha producido una evolución tecnológica en los dispositivos electrónicos empleados para llevar a cabo el control de un proceso. Según su complejidad desde el punto de vista de la funcionalidad que aportan y el precio medio de mercado, se puede establecer una gráfica como en la siguiente ilustración:
Clasificación de los dispositivos para el control de procesos. Los elementos más sencillos y baratos necesarios para poder implementar el control de un proceso son los contactores. Estos dispositivos han mantenido su función primitiva de servir de “enlace” entre el circuito de potencia y el de mando.
Le siguen los relés temporizados. Dependiendo de la complejidad de la instalación que se quiera automatizar esta funcionalidad puede ser implementada por medio de un relé físico o programada mediante un equipo de control programable.
Con los modulos lógicos o también conocidos como relés programables se llega a la frontera entre el ámbito de la lógica cableada y la programación. Son estos dispositivos tan sencillos que a menudo son empleados para controlar pequeñas funciones
de
una
instalación
combinados
con
módulos
contactores
y
temporizadores. La principal desventaja es que el número de señales que son capaces de manejar es limitado.
Cuando se requiere del dispositivo de control programable una mayor potencia de cálculo, un lenguaje de programación más potente, una mayor capacidad de conexión con elementos de campo (entradas y salidas), es necesario acudir a un 33
PLC. Cuanto mayor sea el nivel de prestaciones mejor será el PLC, o sea, mayor número de funcionalidades ofrecerá y por tanto más caro será.
A los PLCs más básicos se les llama en ocasiones micro PLC.
En la siguiente tabla pueden verse campo de aplicaciones y el tipo de equipo más indicado en cada caso.
Controladores Programables. Campos de aplicación. 3.4. Arquitectura típica y Estructura básica de los PLC´s. Los PLCs ocupan la posición más alta dentro de los distintos tipos de equipos de control programables. A su vez, los PLCs pueden ser divididos en varias categorías dependiendo fundamentalmente de sus caracteristicas de hardware y software, todos exhiben una arquitectura similar.
La arquitectura típica de un PLC puede ser dividida en varios bloques claramente diferenciados:
Fuente de alimentación. Es el corazón del PLC y nutre de energía eléctrica al resto de módulos del mismo y en ocasiones incluso a los sensores del proceso. Por lo general los PLCs funcionan internamente a 5 VDC, pero sin embargo no suele ser tipico alimentar los PLCs con fuentes de 5 VDC, si no que se utilizan o
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bien, fuentes que transforman de 110 VCA a 5 VDC o bien 24 VDC a 5 VDC. En el primer caso el PLC puede ser conectado a la corriente eléctrica de la instalación.
Es muy importante dimensionar correctamente la potencia de la fuente de alimentación, o sea, la cantidad de corriente que es capaz de suministrar, sobre todo en el caso de que esta vaya a ser empleada además de alimentar el PLC, para alimentar parte de los sensores periféricos.
CPU. Unidad Central de Proceso, es el cerebro del PLC. Este módulo presenta una arquitectura similar al CPU de una PC. Está formada por un microprocesador, una unidad de memoria, una unidad aritmética lógica, y toda la circuitería necesaria para conectar todos estos componentes y permitir a su vez la conexión de la CPU con el resto de módulos del PLC.
Rack o Bastidor. El rack o bastidor, es un soporte por lo general metálico sobre el cual se montan todos los módulos que componen el PLC. Puede entenderse como la columna vertebral del PLC. Sobre este soporte va adosado el bus de datos que permiten llevar a cabo el intercambio efectivo de información entre todas las partes que forman el PLC así como alimentarlos con la energía eléctrica necesaria para su correcto funcionamiento.
Además de haber visto los componentes básicos necesarios, para que el PLC pueda hacer algo útil, es necesario dotarle de algún medio para su interconexión con el proceso que se desea controlar. Para ello, el PLC presenta una serie de entradas y salidas (E/S) agrupadas de distintos tipos dependiendo de su naturaleza.
E/S digitales. Este tipo de módulos permite al PLC leer valores de sensores digitales del proceso y enviar órdenes hacia los componentes del proceso empleando como adaptadores de señal a los preaccionadores y accionadotes. Todas estas señales serán de formato todo/nada, es decir, que permitirán intercambiar información que representa dos únicos posibles estados. Para el caso de los sensores esta información indicará la existencia de un evento físico o no del
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proceso respectivamente y para el caso de los actuadotes, codificará la orden de actuar o no actuar respectivamente.
E/S analógicas. Las señales digitales, limitan en cierta medida la cantidad de información que el PLC recibe y envía al proceso. Si para una magnitud física del proceso se desea poder conocer desde el PLC todos sus posibles estados o valores, entonces es necesario emplear un módulo de entradas analógicas. Este modulo estará formado internamente ente otras cosas por un convertidor análogo digital (A/D) que transformará el valor de la magnitud física en cada momento en un número el cual será almacenado en la memoria de entradas analógicas del PLC para su posterior uso desde el programa de control. Si por el contrario el PLC desea enviar una señal análoga, entonces será necesario emplear un módulo de salidas analógicas. Este tipo de módulos contiene internamente un convertidor digital – análogo (D/A) el cual transformará un valor numérico depositado por el programa de control en una posición de la memoria de salidas analógicas del PLC, en una corriente eléctrica proporcional la cual será empleada para llevar a cabo la acción sobre el proceso.
Otros módulos. En ocasiones se requiere del PLC que realice operaciones especiales que con los módulos anteriormente descritos no sería posible. En ese caso el PLC puede ser especializado mediante la conexión de módulos específicamente diseñados para llevar a cabo una acción concreta, por ejemplo: interconexión de PLCs, contaje de eventos de alta frecuencia, posicionamiento de ejes, arrancadores de motores, conexiones RS-232, etc.
Otros módulos existentes son: • Módulos de comunicaciones (TCP/IP, DH+, etc.) • Módulos de control de redundancia • Módulos para conexión de racks remotos • Módulos de interfaz hombre-máquina (teclado, monito-res, etc.) • Módulos de almacenamiento de información • Módulos controladores PID
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Estos módulos son un concepto similar a las tarjetas que se emplean para aumentar las capacidades de una PC convencional, y al igual que estas se conectam a los puertos que queden libres en el bus del PLC del cual toman la alimentación eléctrica, y el cual emplean para intercambiar con el resto de módulos del PLC.
Arquitectura Típica de un autómata programable.
3.4.1 Estructura Compacta y Modular. Aunque todos los PLCs tienen una arquitectura interna como la descrita hasta ahora, externamente suelen presentar una de dos posibles configuraciones:
Compacta. En este tipo de PLCs, todos los módulos anteriormente descritos están encapsulados bajo una misma carcasa plástica que hace del PLC un producto robusto y monolítico.
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Ejemplo de un PLC de arquitectura compacta. Modular. En este tipo de configuración cada módulo del PLC debe ser adquirido por separado por lo que hay que tener en cuenta las posibles incompatibilidades entre los distintos modelos para posteriormente ser ensamblados para formar el PLC deseado. Esta configuración permite tener un PLC mucho más adaptado a las necesidades reales, pero por lo general suele ser una solución más cara. Este tipo de configuración se suele emplear en modelos de PLC de gama alta donde el precio no es el inconveniente mayor.
Ejemplo de un PLC de arquitectura modular.
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3.5. Ciclo Scan. Un PLC una vez conectado a la red eléctrica tiene básicamente dos modos de funcionamiento:
Stop: En este modo, no se ejecuta el programa de control.
Run: En este modo de funcionamiento, el programa de control se está ejecutando de manera indefinida hasta que o bien el PLC pasa al modo Stop, o bien, se desconecta de la alimentación.
Este último modo de funcionamiento, es el más interesante. Cuando el automata se encuentra en modo Run, el programa de control que está grabado en su memoria, se ejecuta cíclicamente describiendo a lo que se llama Ciclo Scan.
Un ciclo Scan consiste básicamente en cuatro pasos bien diferenciados:
1- Lectura de las entradas del PLC. 2- Ejecución del programa de control. 3- Escritura de las salidas del PLC. 4- Tareas internas del PLC.
Lectura de entradas del PLC: Al comienzo de cada ciclo Scan, el sistema operativo del PLC comprueba el estado en el que se encuentran todos y cada uno de los elementos de entrada (sensores, pulsadores, etc) que están conectados a los distintos módulos de entradas del PLC.
Esta operación de lectura de las
entradas conlleva un cierto tiempo para ejecutarse totalmente, el cuál debe de ser tenido en cuenta a la hora de calcular la duración del ciclo de Scan. En cualquier otro caso, este tiempo suele ser despreciable con respecto a la duración de la ejecución del programa de control.
Al hacer esta operación de lectura de todas las entradas al comienzo de cada ciclo se asegura que todas las instrucciones del programa de control son ejecutadas sobre una “imagen” del estado del proceso coherente. Es decir, que si una vez
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comenzado a ejecutar el programa de control, algún sensor del proceso cambiase de valor, este nuevo valor no se tomaría en cuenta hasta el siguiente ciclo.
Ejecución del programa de control: Una vez que la memoria de entradas ha sido totalmente actualizada el sistema operativo del PLC, comenzará a ejecutar las instrucciones del programa albergando en su memoria de programa del PLC. Lo hara secuencialmente comenzando por la primera instrucción del módulo de programa que se considere el principal ( cada fabricante lo designa de una forma distinta, por ejemplo, en los PLCs de Siemens se le llama OB1).
La ejecución secuencial no implica ejecución lineal, es decir, que un programa puede contener instrucciones especiales que permitan hacer saltos hacia delante y hacia atrás, e incluso es posible que haya sub rutinas e interrupciones. En cualquier caso, la ejecución seguirá siendo secuencial siendo posible alterar esa secuencia de forma dinámica.
Es de destacar que la ejecución del programa de control durará una determinada cantidad de tiempo que será directamente proporcional a la velocidad del procesador del PLC y que por tanto dependerá del modelo del mismo.
Escrituras de las salidas del PLC. Cuando el sistema del PLC detecta que se ha ejecutado la última instrucción del programa de control, éste comienza a revisar una por una todas las posiciones de su memoria de salidas. Si el programa de control tras su ejecución genera señales analógicas en forma de valores digitalizados en la memoria de salidas analógicas del PLC, en esta fase son convertidas en valores determinados de corriente y tensión por medio de los módulos de salidas analógicas correspondientes. Aunque este proceso consume cierta cantidad de tiempo, su duración es despreciable con respecto a la de la fase e ejecución del programa de control.
Tareas internas del PLC. Antes de comenzar un nuevo ciclo de SCAN, el PLC necesita realizar cierta tareas internas como por ejemplo comprobar si se han producido errores, almacenar la duración del ciclo de scan, actualizar valores internos de sus tablas de datos, etc. 40
De nuevo la duración de esta fase puede considerarse despreciable con respecto a las otras tres.
Una vez que esta fase ha terminado el sistema operativo del PLC comenzará a ejecutar un nuevo ciclo de scan.
Ilustración de trabajo del Ciclo SCAN.
3.6. Lenguajes de Programación para PLCs. El lenguaje de programación de un PLC permite la creación del programa que controlará su CPU. Mediante este lenguaje el programador podrá comunicarse con el PLC y así dotarlo de un programa que controle las actividades que debe realizar.
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Dependiendo del lenguaje de programación, es posible la realización del programa con distintos grados de dificultad. Junto con el lenguaje de programación, los fabricantes suministran un software de ambiente de trabajo donde el usuario puede escribir sus programas. Estos softwares son amistosos y corren sobre computadores tipo PC bajo plataformas DOS o Windows. Existen diferentes tipos de lenguaje para programar un PLC. Los que más se destacan son las siguientes:
Diagramas de escalera (LD, KOP). Este tipo de lenguaje es muy próximo a los diagramas eléctricos empleados para representar los esquemas de lógica cableada utilizados para controlar procesos.
Ejemplo de programación con lenguaje de escalera.
Lista de instrucciones (IL). Es el lenguaje de programación de PLCs más potente de los que existe. Es un lenguaje literal de bajo nivel parecido al lenguaje ensamblador empleado para la programación de microcontroladores. Es un lenguaje cuyo origen está en Alemania de la mano de Siemens y sus primeros autómatas. Este lenguaje se basa en la utilización de un mnemónico que representa la instrucción seguido del operando u operandos sobre los que se aplica. Cada línea del programa contiene una única instrucción y su ejecución es secuencial, comenzando por la primera de la lista.
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Lista de instrucciones.
Diagramas de bloques funcionales. El lenguaje de los diagramas de bloques funcionales (FBD), es un lenguaje gráfico que surge como una evolución de los diagramas empleados por los ingenieros electrónicos para representar los circuitos lógicos. El lenguaje FBD sigue las mismas pautas que lo que es un diagrama electrónico. Cada operación es representada por un símbolo normalizado como si fueran circuitos integrados.
Ejemplo de diagrama de bloques funcionales.
Texto Estructurado (ST). Es un lenguaje literal de alto nivel que surge de adaptar el lenguaje Pascal empleado en la programación de PC´s a las necesidades propias del control de proceso. Es un lenguaje muy potente especialmente indicado para la representación de algoritmos de control complejos en los que sea necesario emplear bucles, condicionales, etc.
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Ejemplo de Texto Estructurado.
SFC. El lenguaje de los diagramas funcionales secuenciales (Sequential Function Chart), surge como una evolución del lenguaje del modelado de sistemas secuenciales GRAFCET (estándar internacional IEC 848). El GRAFCET no es un lenguaje de programación mientras que SFC sí lo es con todas las connotaciones que ello supone. SFC proporciona al ingeniero un potente lenguaje para la representación de automatismos secuenciales.
Ejemplo de programación SFC. SFC surge del esfuerzo del organismo internacional denominado Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), cuyo objetivo era la publicación de un estándar que normalizase los PLCs desde el punto de vista hardware y software. Esta norma recogió los cuatro lenguajes clásicos más empleados en la programación del PLC y les añadió una nueva versión de GRAFCET que le daba carácter de lenguaje de programación, permitiendo además la utilización de cualquiera de los cinco lenguajes para codificar cualquier modulo de programa que fuese necesario.
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3.7 Módulo Lógico Siemens LOGO!
LOGO! es clasificado como un módulo lógico universal de la compañía SIEMENS y que es sumamente versátil, que gracias a su amplia funcionalidad y a su fácil manejo, LOGO! ofrece una gran rentabilidad en prácticamente cualquier aplicación.
Con LOGO! pueden resolverse tareas enmarcadas en la técnica de instalación y el ámbito doméstico (p.ej. alumbrado de escaleras, luz exterior, toldos, persianas, alumbrado de escaparates, etc.), así como en la construcción de armarios de distribución, de máquinas y de aparatos (p.ej. controles de puertas, instalaciones de ventilación, bombas de agua no potable, etc.). Asimismo, LOGO! se puede utilizar para controles especiales en invernaderos o jardines de invierno, para el procesamiento previo de señales en controles y, mediante la conexión de un módulo de comunicaciones (p. ej., ASi), para el control descentralizado ”in situ” de máquinas y procesos.
Para las aplicaciones en serie en la construcción de máquinas pequeñas, aparatos y armarios de distribución, así como en el sector de instalaciones, existen variantes especiales sin unidad de operación y de visualización
3.7.1 Modelos y Características de LOGO!. LOGO! Basic está disponible para dos clases de tensión:
Categoría 1 ≤ 24 es decir, 12 V DC, 24 V DC, 24 V AC.
Categoría 2 > 24 V, es decir 115...240 V AC/DC.
Y a su vez:
Variante con pantalla: 8 entradas y 4 salidas.
Variante sin pantalla (”LOGO! Pure”): 8 entradas y 4 salidas.
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Cada variante está integrada en 4 unidades de división (TE), dispone de una interfaz de ampliación y le facilita 36 funciones básicas y especiales preprogramadas para la elaboración de su programa.
Para reconocer los distintos modelos de LOGO!, nos fijamos en el nombre del modelo y de acuerdo a este tiene sus diferentes características. Podemos basarnos en
la siguiente información para ver el tipo de modelo y las
características de este: • 12/24: versión de 12/24 V • 230: versión 115...240 V • R: salidas de relé (sin R: salidas de transistor) • C: Temporizador semanal integrado • o: variante sin pantalla (”LOGO! Pure”) • DM: módulo digital • AM: módulo analógico • CM: módulo de comunicación (p.ej. módulo EIB/KNX)
Las diferentes características de acuerdo al modelo se aprecian en la siguiente tabla:
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Tabla. Características de los diferentes modelos LOGO!
3.7.2 Módulos de ampliación y de comunicación.
Las diversas variantes Basic, los módulos de ampliación y de comunicación permiten una adaptación muy flexible y precisa a cada aplicación especial.
LOGO! le ofrece soluciones que abarcan desde una pequeña instalación doméstica hasta funciones complejas en combinación con un sistema de bus (p.ej. módulo de comunicación AS-Interface), pasando por pequeñas tareas de automatización. Los módulos digitales y analógicos están integrados en 2 ó 4 TE y disponen de dos interfaces de ampliación respectivamente, de modo que se puede conectar otro módulo a cada uno de ellos.
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Existen los siguientes módulos de ampliación para LOGO!:
LOGO! módulos digitales DM8, para 12 V DC, 24 V AC/DC y 115-240 VAC/DC con 4 entradas y 4 salidas.
LOGO! módulos digitales DM16, para 24 V DC y 115...240 V AC/DC con 8 entradas y 8 salidas.
LOGO! módulos analógicos para 24 V DC y en parte para 12 V DC, con 2 entradas analógicas o con 2 entradas Pt100 ó con 2 salidas analógicas.
LOGO! módulo de comunicación (CM) Interfaz AS. El módulo de comunicación dispone de 4 entradas y salidas virtuales y funciona como interfaz entre una interfaz AS y el sistema LOGO!.
LOGO! módulo de comunicación (CM) EIB/KNX Como interfaz con EIB, el CM EIB/KNX permite la comunicación con otras estaciones EIB. Para ello se define una configuración en el CM EIB/KNX, que especifica qué entradas/salidas de LOGO! deben establecerse con el bus EIB.
Cada LOGO! Basic se puede ampliar únicamente con módulos de ampliación de la misma clase de tensión. Mediante una codificación mecánica (pernos en la carcasa) se impide que se puedan conectar entre sí dispositivos con una clase de tensión diferente.
3.7.3 Estructura de un Logo!. En este apartado se presenta la estructura de un módulo lógico LOGO! Basic modelo 230 RC.
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LOGO! mod. 230 RC
Significado:
1- Alimentación de Tensión. 2- Entradas. 3- Salidas. 4- Interfaz de Programación. 5- Panel de Manejo. 6- Pantalla LCD. 8- Interfaz de ampliación. 10- Conectores mecanicos.
3.7.4. Conexión de entradas y salidas del modelo LOGO! 230 RC.
Conexión de las entradas: Aquí puede conectarse sensores a las entradas. Los sensores pueden ser: pulsadores, interruptores, barreras de luz, atenuadores, etc. Las entradas de estos dispositivos están divididas en dos grupos de cuatro entradas. Sólo puede haber fases distintas entre los bloques, no dentro de cada uno de ellos.
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Conexión de interruptores en la entrada del Logo! mod. 230 RC.
Conexión de las Salidas:
Las salidas de LOGO! R son relés. Los contactos de los relés están libres de potencial con respecto a la tensión de alimentación y a las entradas.
Condiciones para las salidas de relé. Se puede conectar diferentes cargas a las salidas, p.ej. lámparas, lámparas fluorescentes, motores, protecciones, etc. de acuerdo al siguiente diagrama:
Conexión de una carga en la salida del LOGO!.
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3.7.5 Programación de LOGO! Basic. Con el término Programación se hace referencia a la elaboración de un programa. Básicamente, un programa de LOGO! no es más que un esquema de conexión eléctrica representado de una forma diferente.
Se mostrará ejemplos de programación para los módulos con pantalla LCD como el modelo 230 RC.
Se sabe que existe un software para programar llamado LOGO! Soft Comfort de SIEMENS con el que se puede crear, probar, simular, modificar, guardar e imprimir programas fácil y cómodamente y así ahorrarnos tiempo y esfuerzo pero el objetivo de este punto es el poder realizar un programa utilizando solamente la pantalla LCD y no depender de otro medio de programación como es el caso de una computadora.
La forma de programar en el LOGO! Basic es en forma de diagramas de bloques. Un bloque es una función que convierte información de entrada en información de salida. Al elaborar el programa debe conectar bornes con bloques. Basta con elegir la conexión deseada en el menú Co. El menú Co debe su nombre al término inglés “Connector” (borne).
Cada LOGO! Basic dispone de las siguientes conexiones para la elaboración del programa, independientemente de los módulos conectados: • Entradas digitales I1 hasta I24 • Entradas analógicas AI1 hasta AI8 • Salidas digitales Q1 hasta Q16 • Salidas analógicas AQ1 y AQ2 • Marcas digitales M1 hasta M24, M8: marcas de arranque • Marcas analógicas AM1 hasta AM6 • Bits de registro de desplazamiento S1 hasta S8 • 4 teclas de cursor • 16 salidas no conectadas X1 hasta X16.
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La representación de los Conectores de entradas, salidas marcas etc, se representan con las siguientes letras:
In = Entrada digital física n del dispositivo o de sus módulos. Qn = Salida digital física n del dispositivo o de sus módulos. AIn = Entrada análoga n del dispositivo o de sus módulos. AQn = Salida análoga n del dispositivo o de sus módulos. Mn = Marca digital. Nos sirve para representar sin depender que ocupe un lugar físico en el dispositivo. AMn = Igual a la Marca Digital pero en función analoga. Sn = Bit de registro de desplazamiento. Cn = Tecla de Cursor del dispositivo. Xn = Salida no conectada.
Representación de un bloque en la pantalla de LOGO! En la ilustración se muestra una pantalla típica de LOGO!. Sólo puede representarse un bloque en cada caso. Debido a ello, se prevé de números de bloque para ayudar a controlar un circuito en conjunto.
Representación de un bloque OR.
Cada vez que se inserta un bloque en un programa, LOGO! asigna a ese bloque un número de bloque. Por medio del número de bloque, LOGO! muestra la conexión entre bloques. Los números de bloque sólo pretenden facilitar la orientación en el programa.
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En la siguiente figura se puede ver las pantallas de LOGO! que componen el programa.
Pantallas de LOGO! que componen el programa.
Como se puede ver, LOGO! enlaza los bloques entre sí a través de los números de bloque.
Ejemplo de cómo pasar un esquema eléctrico a un diagrama de bloque. Supongamos que tenemos el siguiente esquema:
Esquema de ejemplo.
En LOGO! crearemos un circuito en el que se conectarán bloques y bornes entre ellos:
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Cableado de las entradas y salidas fisicas del dispositivo y diagrama de programación a bloques del mismo. Para convertir un esquema a diagrama de bloques para LOGO! se debe comenzar en la salida del circuito. De tal manera debemos de procesar el circuito desde la salida hasta la entrada. Paso 1: En la salida Q1 hay una conexión en serie del contacto de cierre S3 con otro elemento de circuito. Esta conexión en serie equivale a un bloque AND:
Paso 2: S1 y S2 están conectadas en paralelo. Esta conexión en paralelo equivale a un bloque OR:
Para conexiones no utilizadas, el programa adopta automáticamente el estado que garantiza el funcionamiento del bloque en cuestión. Si se desea, se puede identificar las conexiones no utilizadas de forma especial con el conector ’x’. En este ejemplo sólo se utilizan 2 entradas del bloque OR y 2 entradas del bloque
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AND; las entradas tercera (y cuarta) en cada caso se han identificado como ’no utilizadas’ con conector ’x’. El ejemplo anterior fue de cómo representar un esquema eléctrico a un diagrama a bloques. Ahora se verá como programar un sencillo programa en el LOGO! Basic pero primeramente se mostrara como accedemos al modo de programación.
Después de haber alimentado el sistema aparecerá en la pantalla LCD lo siguiente:
1ra pantalla después de alimentar el LOGO!.
Conmutamos LOGO! en el modo de programación pulsando la tecla ESC. A continuación pasará al menú principal de LOGO!:
Menú principal de LOGO! En el primer lugar de la primera fila aparece el símbolo ”>”. Pulsando las teclas
y
se desplaza el ”>” verticalmente. Posicionamos el ”>” en ”Program..”
y pulsamos la tecla OK. Además, LOGO! pasará al menú Programación.
Pantalla de Menú de Programación.
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También aquí podremos desplazar el símbolo ”>” mediante las teclas
y
.
Ponemos ”>” en ”Edit..” (para Editar el programa) y pulsamos la tecla OK.
Menú de Edición. Ponemos ”>” sobre ”Edit Prg” (para editar programa) y pulsamos la tecla OK. LOGO! mostrará la primera salida:
Primera salida de LOGO!
Ahora se encuentra en el modo Programación. Pulsando las teclas
y
podemos elegir las demás salidas. Ahora podremos introducir su programa.
Ejemplo para programar en LOGO! a partir de un esquema. De acuerdo al siguiente esquema:
Ejemplo de esquema para programar.
Traducido al programa de LOGO!, significa que el relé K1 (en LOGO! por medio de la salida Q1) se controlará desde el bloque OR. El programa en LOGO! tendrá la siguiente apariencia: 56
Apariencia en bloques del programa ejemplo.
El cableado quedaría como en la siguiente figura:
Si introducimos el programa (desde la salida hasta la entrada). Al principio, LOGO! muestra la salida:
Primera Salida del LOGO!.
La letra Q de Q1 está subrayada. Éste es el cursor (la marca de escritura). El cursor indica en el programa el punto en el que se encuentra en estos momento, y
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se puede desplazar mediante las teclas , ,
y . Pulsamos ahora la tecla
. El
cursor se desplaza hacia la izquierda.
El cursor indica en que punto del programa nos encontramos.
Introducimos aquí ahora el primer bloque (bloque OR). Pasamos al modo de introducción pulsando la tecla OK.
Introducción de conector.
Si el cursor se representa enmarcado, podemos elegir un borne o un bloque. El cursor ya no es del tipo subrayado, sino que está enmarcado y parpadea. Al mismo tiempo, LOGO! ofrece distintas posibilidades de selección.
Seleccionamos GF (funciones básicas), pulsando la tecla
hasta que aparezca
GF, a continuación pulsamos OK. LOGO! mostrará el primer bloque de la lista de funciones básicas. El primer bloque de la lista de las funciones básicas es AND. El cursor representado como bloque completo indica que se desea seleccionar un bloque.
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Primer bloque de función general: AND.
Pulse ahora la tecla
o , hasta que en la pantalla aparezca el bloque OR:
Bloque OR.
El cursor sigue hallándose en el bloque y está enmarcado. Ahora debemos pulsar la tecla OK para confirmar la selección.
Bloque OR y apariencia del programa hasta este punto.
De esta forma hemos introducido el primer bloque. A cada bloque introducido se le asigna un número, denominado número de bloque. Ahora ya sólo es necesario cablear por programación las entradas del bloque de la siguiente manera: Pulsamos la tecla OK.
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Introducción de Conector.
Seleccionamos la lista Co y pulsamos tecla OK.
El primer elemento de la lista Co es el símbolo correspondiente a ”Entrada 1”, un ’I1’. Con la tecla
, se coloca al inicio de la lista Co: I1, I2 hasta lo. Con la tecla
se
coloca al final de la lista Co: lo, hi hasta I1.
Primera entrada I1.
Pulsamos la tecla OK: I1 está conectada con la entrada del bloque OR. El cursor salta a la próxima entrada del bloque OR.
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Introducción para la segunda entrada y bloques programados hasta este punto.
Ahora enlazamos la entrada I2 con la entrada del bloque OR. Procedemos para ello tal como ya se indicó: 1. Cambiar al modo de entrada: tecla OK. 2. Seleccionar lista Co: teclas
o .
3. Aplicar lista Co: tecla OK. 4. Seleccionar I2: teclas
o .
5. Aplicar I2: tecla OK.
Así queda enlazada I2 con la entrada del bloque OR.
Apariencia del programa a bloques en este punto.
Las dos últimas entradas del bloque OR no se necesitan en este programa. Podemos identificar con ’x’ una entrada que no utiliza. Para hacer esto es el mismo procedimiento para poner las entradas. Ya poniendo la ‘x’, nuestro bloque y programa quedaría completo y de la siguiente manera:
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Programa de ejemplo ya completo.
Puede negar individualmente entradas de funciones básicas y especiales, de ese modo, si en una entrada determinada hay un “1”, el programa utiliza un “0”; si hay un “0”, se utiliza un “1”. Para negar una entrada, colocamos el cursor sobre la entrada deseada, p.ej..:
Entrada deseada a negar.
Pulsamos la tecla OK. Con la tecla
o
se puede aplicar la anulación de una entrada:
Pulsamos la tecla ESC.
Apariencia del programa con la entrada I3 negada.
Si deseamos volver a ver todo el programa a bloques, se puede mover el cursor por él con las teclas
y .
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Para abandonar el proceso de elaboración del programa y regresar al menú de programación presionamos la tecla ESC. El programa permanecerá guardado en LOGO! hasta que se vuelva a borrar por medio de los comandos correspondientes.
3.8 Software de Programación LOGO! Soft Comfort. 3.9 PLC Siemens SIMATIC S7-200. La gama S7-200 comprende diversos sistemas de automatización pequeños (Micro-PLCs) que se pueden utilizar para numerosas tareas. La siguiente figura muestra un Micro-PLC S7-200.
Gracias a su diseño compacto, su capacidad de ampliación, su bajo costo y su amplio juego de operaciones, los Micro-PLCs S7-200 son especialmente apropiados para solucionar tareas de automatización sencillas. Además, los diversos tamaños y fuentes de alimentación de las CPUs ofrecen la flexibilidad necesaria para solucionar las tareas de automatización.
3.9.1. Características. La gama S7-200 comprende diversas CPUs. Por lo tanto, se dispone de una gran variedad de funciones que permiten diseñar soluciones de automatización a un precio razonable. La siguiente tabla resume las principales funciones de las CPUs S7-200:
CPU 221
CPU 222
CPU 224 63
CPU 226
CPU 226 XM
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3.9.2. Estructura de un Micro PLC S7-200 La siguiente estructura corresponde a un S7-200 de CPU 224
1. Salidas digitales integradas. 2. LEDs de estado de las salidas digitales. 3. Terminales de alimentación 4. Conmutador 3 posiciones Stop/Term/Run. 5. Conector para el cable de ampliación. 6. LEDs de estado de la CPU. 7. Ranura para el cartucho de memoria. 8. Puerto de comunicaciones (p. Ej. PPI). 9. Entradas digitales integradas. 10. LEDs de estado de las entradas digitales. 11. Fuente de alimentación integrada. 12. Potenciómetros Integrados. 13. Módulo de ampliación. 14. Fijadores para tornillo. 15. Pestaña de fijación.
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3.9.3. Conexión de entradas y salidas. A continuación se muestra como conectar las entradas y salidas para un S7-200 CPU 224. Para Corriente Directa 24 VDC:
Para Corriente alterna:
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3.10. Software de programación Step7 MicroWin 32. 3.10.1. Direccionamiento del PLC S7-200. 3.10.2. Elementos básicos y programación del S7-200.
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