Proyecto Plc

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CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE BASADO EN EL MICROCONTROLADOR PIC 16F877 PARA EL LABORATORIO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA

DAVID RICARDO BAYONA ROJAS YANONIS JOEL HERNANDEZ RIOS

UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA SANTA MARTA 2011

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CONTROLADOR L ÓGICO PROGRAMABLE BASADO EN EL MICROCONTROLADOR PIC 16F877 PARA EL LABORATORIO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA

DAVID RICARDO BAYONA ROJAS YANONIS JOEL HERNANDEZ RIOS

Trabajo de Grado Para Optar al Título de Ingeniero Electrónico

Director JUAN GABRIEL GONZALEZ LERMA Ingeniero Electrónico Especialista en Electrónica Industrial

UNIVERSIDAD DEL MAGDALENA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA SANTA MARTA 2011

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Nota de aceptación ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________ ____________________________

_________________________________ Firma del presidente jurado

_________________________________ Firma del jurado

_________________________________ Firma del jurado

Santa Marta,_______________

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DEDICATORIA

Esta tesis de grado es dedicada a:

Nuestros padres y seres queridos por brindarnos su apoyo y acompañarnos en el proceso de formación profesional.

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AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a:

Dios, por permitirnos llegar a este punto de nuestras vidas.

La universidad del Magdalena por la formación impartida en el transcurso de nuestra carrera. La dirección de programa de Ingeniería Electrónica, recursos para nuestra formación académica.

por brindarnos los

Juan Gabriel Gonzales Lerma, ingeniero electrónico, especialista en Automatización y Control, y profesor de la universidad del Magdalena por su acompañamiento y consejos para alcanzar la finalización del proyecto de tesis.

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Contenido pág.

1. PRESENTACIÓN ....................................................................................................................... 17 2. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................................ 19 3. ESTADO DE DESARROLLO ........................................................................................................ 20 4. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL .............................................................................................. 22 4.1 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES PLC ........................................................... 22 4.1.1 Estructura básica del PLC. .............................................................................................. 23 4.1.2 Interfaces de entrada/salida. ......................................................................................... 23 4.1.3 Procesamiento de la entrada/salida. ............................................................................. 24 4.1.3.1 Actualización continúa ................................................................................................ 25 4.1.3.2 Copiado masivo de entrada/salida ............................................................................. 25 4.1.4 Programación ................................................................................................................. 26 4.1.5 Funciones lógicas ........................................................................................................... 26 4.1.5.1 Función AND ............................................................................................................... 26 4.1.5.2 Función OR .................................................................................................................. 27 4.1.5.3 Función NOR ............................................................................................................... 28 4.1.5.4 Función NAND ............................................................................................................. 28 4.1.5.5 Función XOR ................................................................................................................ 29 4.1.6 Circuito de enclavamiento ............................................................................................. 30 4.1.7 Mnemónicos .................................................................................................................. 30 4.1.8 Temporizadores, relevadores internos y contadores .................................................... 31 4.1.8.1 Temporizadores .......................................................................................................... 31 4.1.8.2 Relevadores internos .................................................................................................. 33 4.1.8.3 Contadores.................................................................................................................. 34 4.1.9 Registros de corrimiento................................................................................................ 35 4.1.10 Relevador maestro ....................................................................................................... 35 4.1.11 Manejo de datos .......................................................................................................... 36 4.1.11.1 Movimiento de datos................................................................................................ 37

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4.1.11.2 Comparación de datos .............................................................................................. 37 4.1.11.3 Operaciones aritméticas ........................................................................................... 37 4.2 MICROCONTROLADORES .................................................................................................. 38 4.2.1 Elementos de los microcontroladores ........................................................................... 39 4.2.1.1 El procesador .............................................................................................................. 39 4.2.1.2 Memoria...................................................................................................................... 39 4.2.1.3 Puertas de entrada y salida ......................................................................................... 39 4.2.1.4 Reloj principal ............................................................................................................. 40 4.2.2 El PIC 16F877 .................................................................................................................. 40 4.2.2.1 Características del PIC 16F877 .................................................................................... 40 4.2.2.2 Dispositivos periféricos del PIC 16F877 ...................................................................... 41 4.2.2.3 Diagrama de bloques del PIC 16F877 ......................................................................... 41 4.3 CIRCUITO INTEGRADO FT232 RL ....................................................................................... 43 4.3.1 Características del FT232 RL........................................................................................... 43 4.4 BUS SERIE UNIVERSAL USB ............................................................................................... 44 4.4.1 Características del USB................................................................................................... 45 4.5 PROGRAMACIÓN ICSP ....................................................................................................... 46 4.5.1 Modo de programación ICSP. ........................................................................................ 46 4.5.2 PIC Kit™ 2 ....................................................................................................................... 47 4.5.2.1 Leds de estado ............................................................................................................ 48 4.5.2.2 Pulsador ...................................................................................................................... 48 4.5.2.3 Ranura de llavero ........................................................................................................ 48 4.5.2.4 Puerto USB .................................................................................................................. 48 4.5.2.5 Conector de programación ......................................................................................... 48 4.6 LD-MICRO .......................................................................................................................... 49 5. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................ 50 6. OJETIVOS ................................................................................................................................. 51 6.1 OBJETIVO GENERAL........................................................................................................... 51 6.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.................................................................................................... 51 7. DISEÑO METODOLÓGICO........................................................................................................ 52 8. DESARROLLO DEL TRABAJO .................................................................................................... 54 8.1 ESTRUCTURA DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE ............................................ 54 8.1.1

Funciones de las tarjetas del PLC ............................................................................ 54

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8.1.1.1 Tarjeta principal: ......................................................................................................... 54 8.1.1.4 Tarjeta de programación ............................................................................................ 55 8.1.1.5 Tarjeta de comunicación ............................................................................................. 55 8.1.1.6 Fuente de voltaje ........................................................................................................ 55 8.1.2 Diagrama de flujo general del uso del

PLC. ................................................................... 56

8.2 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS .................................................... 57 8.2.1 Fuente de voltaje ........................................................................................................... 57 8.2.2 Tarjetas de acondicionamiento para voltajes de entrada ............................................. 60 8.2.3 Tarjetas de salida de potencia a relés. .......................................................................... 63 8.2.4 Tarjeta de programación. .............................................................................................. 66 8.2.5 Tarjeta de comunicación ............................................................................................... 68 8.2.6 Tarjeta principal. ............................................................................................................ 69 9. PRUEBAS Y RESULTADOS ........................................................................................................ 72 10. CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 80 11. RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 82 12. PRESUPUESTO ....................................................................................................................... 83 12.1 RECURSO HUMANO ....................................................................................................... 83 12.2 RECURSOS INSTITUCIONALES ......................................................................................... 83 12.3 RECURSOS ADICIONALES ................................................................................................ 84 12.4 COSTO TOTAL DEL PROYECTO ......................................................................................... 84 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 85 WEBGRAFÍA ................................................................................................................................. 86 ANEXOS ....................................................................................................................................... 87

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LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Representación en contactos función AND

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Figura 2. Representación de la función AND en lenguaje de escalera

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Figura 3. Representación de contactos función OR

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Figura 4. Representación de la función OR en lenguaje de escalera

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Figura 5. Representación de la función NOR en lenguaje de escalera

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Figura 6. Representación de la función NAND en lenguaje de escalera

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Figura 7. Representación de la función XOR en lenguaje de escalera

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Figura 8. Representación del circuito de enclavamiento en ladder

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Figura 9. Temporizador de retardo a la activación

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Figura 10. Temporizadores en cascada

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Figura 11. Diagrama de escalera de relevadores Internos

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Figura 12. Diagrama en escalera de un contador

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Figura 13. Representación de un control maestro

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Figura 14. Representación de Movimiento de datos en ladder

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Figura 15. Representación en lenguaje de escalera de suma de datos

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Figura 16. Diagrama de bloque de la estructura interna del PIC 16F877

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Figura 17. Circuito integrado FT232 RL

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Figura 18. Programador Pic Kit ™2

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Figura 19. Descripción de los pines del programador Pic Kit™ 2

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Figura 20. Diseño metodológico del proyecto

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Figura 21. Estructura del controlador lógico programable

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Figura 22. Diagrama de flujo general del uso del PLC

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Figura 23. Diseño de la fuente de voltaje

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Figura 24. Disposición de los componentes sobre la tarjeta de la fuente de voltaje

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Figura 25. Circuito impreso de la tarjeta de la fuente de voltaje

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Figura 26. Diseño general para el acondicionamiento del voltaje de entrada 60 Figura 27. Circuito impreso de la tarjeta de acondicionamiento de voltaje de entrada.

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Figura 28. Disposición de los componentes en la tarjeta de acondicionamiento de voltaje de entrada.

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Figura 29. Diseño general para la salida de potencia a relé

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Figura 30. Circuito impreso de la tarjeta de salida de potencia a relé

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Figura 31. Disposición de los componentes en la tarjeta de salida de potencia a relé

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Figura 32. Disposición de los componentes en la tarjeta de programación

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Figura33.Circuito esquemático de la tarjeta de programación

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Figura 34. Tarjeta para interfaz USB-Serial FT232 RL

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Figura 35. Circuito impreso de la tarjeta principal

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Figura 36. Circuito esquemático de la tarjeta principal

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Figura 37. Disposición de los componentes sobre la tarjeta principal Figura 38. Programa para el conversor

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Figura 39. Circuito de aplicación

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Figura 40. Programa de aplicación

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Figura 41. Tiempos de activación en la ventana de configuración de pines

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Figura 42. Programa para la transmisión de datos

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Figura 43. Dato obtenido por hyper terminal

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Figura 44. Ventana de selección del Kit para la selección del Pic Kit 2

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Figura 45. Ventana de instalación del Pic Kit 2

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Figura 46.Interface de programación del Pic Kit ™2

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Figura 47. Interfaz de programación del LDmicro

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Figura 48. Lista desplegable del menú archivo

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Figura 49. Lista desplegable del menú editar

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Figura 50. Lista desplegable del menú de configuraciones

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Figura 51. Ventana de parámetros del microcontrolador

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Figura 52. Lista de microcontroladores para programar con el LDmicro

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Figura 53. Lista de instrucciones del LDmicro

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Figura 54. Lista desplegable de la opción simular

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Figura 55. Asignación de un pin a un parámetro del programa

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Figura 56. Ventana de estado de configuración del LDmicro

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Figura 57. Distribución de los componentes en el PLC

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Figura 58. Vista frontal del PLC

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Figura 59. Vista lateral izquierda del PLC

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Figura 60. Vista superior del PLC

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LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Componentes de la tarjeta de la fuente de voltaje

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Tabla 2. Componentes de la tarjeta de acondicionamiento de voltaje.

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Tabla 3. Componentes de la tarjeta de salida de potencia a relé.

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Tabla 4. Componentes de la tarjeta de programación.

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Tabla 5. Componentes de la tarjeta principal

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Tabla 6. Resultados de la medición de los voltajes en la fuente 72 de alimentación del PLC Tabla 7. Resultado de la medición de voltaje entregado a los opto acopladores de las etapas de entrada

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Tabla 8. Resultado de la medición de los voltajes entregados en los pines de entrada de la tarjeta principal

73

Tabla 9. Resultado de salida del PLC de la medición de voltaje en los terminales

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Tabla 10. Tiempos de respuesta en el simulador y en el PLC

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Tabla 11. Recurso humano

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Tabla 12. Recursos institucionales

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Tabla 13. Recursos adicionales

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Tabla 14. Costo total del proyecto

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LISTA DE ANEXOS Pág. Anexos Anexo A. Programa de aplicación del Pic Kit ™

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Anexo B. Interfaz de programación del LDmicro

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Anexo C. Utilización del controlador lógico programable Anexo D. Hoja de datos

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GLOSARIO CIRCUITO DE ENCLAVAMIENTO: Es un configuración de circuito que permite mantener el estado activación de una salida cuando la entrada que produjo la activación no estáde presente. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC): Un controlador lógico programable (PLC, programable lógico controller) es un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas para controlar máquinas y procesos y que se ha diseñado específicamente para programarse con facilidad. CONECTOR USB ESTANDAR TIPO A: consiste en un rectángulo aplanado con conexiones internas y una única manera de conectar. Existen en modalidades macho y hembra. Los conectores hembra son los que se pueden apreciar en cualquier PC. CONECTOR USB ESTANDAR TIPO B: existe en modalidades macho y hembra, son los conectores USB que se conectan al dispositivo que se requiere conectar con el computador. Se encuentran frecuentemente en el puerto de conexión de las impresoras. DRIVER: Es un programa que habilita aplicaciones para poderse comunicar con el dispositivo. Cada dispositivo sobre el bus debe tener un driver, algunos periféricos utilizan los drivers que trae Windows. HOST: Dispositivo maestro que inicia la comunicación (generalmente la computadora). HUB: Dispositivo que contiene uno o más conectores o conexiones internas hacia otros dispositivos USB, el cual habilita la comunicación entre el host y con diversos dispositivos. Cada conector representa un puerto USB. LENGUAJE DE ESCALERA: El lenguaje de escalera, es una representación general de circuitos de control, mediante el uso de contactos normalmente abiertos, contactos normalmente cerrados, temporizadores, contadores de eventos, registros de corrimiento y otros elementos de control, mediante conexiones entre elementos que tienen similitud con una escalera, de aquí su nombre. 14


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MICROCONTROLADOR: Un micro controlador es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tarea determinada como el control. MNEMÓNICOS: los mnemónicos, son un conjunto de códigos simbólicos, cada uno de los cuales corresponde a una instrucción. PIC Kit™ 2: El Pic Kit™ 2, es una herramienta para la programación de micro controladores PIC de Microchip, y memorias seriales EEprom. El programador soporta dispositivos vía ICSP, permitiendo la programación en el circuito de aplicación PUERTO USB: cada host soporta solo un bus, cada conector en el bus representa un puerto USB por lo tanto sobre el bus puede haber uno o varios conectores, pero solo existe una ruta y solo un dispositivo puede transmitir información a un tiempo.

PUNTOS TERMINALES (ENDPOINTS): Es una localidad específica dentro del dispositivo. El Endpoint es un buffer que almacena múltiples bytes, típicamente es un bloque de la memoria de datos o un registro dentro del micro controlador. TUBERIAS (PIPES): Es un enlace virtual entre el host (la PC) y el dispositivo USB, este enlace configura los parámetros asociados con el ancho de banda que tipo de transferencia se va a utilizar, la dirección del flujo de datos y el máximo y/o mínimo tamaño de los paquetes/buffers. Cada enlace está caracterizado por su banda de paso (token), su tipo de servicio, el número de punto terminal y el tamaño de los paquetes.

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RESUMEN En el presente proyecto de investigación se diseñó y construyó un controlador lógico programable (PLC), que como unidad de procesamiento central cuenta con el microcontrolador PIC 16F877 de Microchip. El controlador lógico programable, está diseñado para trabajar con doce entradas de voltaje. La etapa de acondicionamiento de voltaje de cada entrada, permite que cada pin de entrada del microcontrolador se conecte a tres niveles de voltaje distintos de 5,12 y 24 voltios DC, permitiendo de esta forma un mayor número de aplicaciones, debido al nivel de voltaje que puede activar cada entrada del PLC. Los puertos utilizados para estas entradas son el puerto A y los pines 0, 1, 2, 3, 4 y 5 del puerto C. Estas doce entradas están ubicadas en la parte izquierda del dispositivo. El prototipo cuenta con tres terminales más, ubicados en la parte inferior central del PLC, que pueden ser utilizados para realizar conversiones análogas a digital, o como entradas de tipo digital, para lo cual se debe tener presente en cada aplicación que el nivel de voltaje máximo para cada una de estas entradas es de 5 voltios DC. De la misma forma pueden configurarse estas tres terminales para utilizarlas como salidas, diseñando para ello las respectivas etapas de potencia y protección. El puerto del microcontrolador utilizado para estas tres terminales es el puerto E. El prototipo cuenta con 16 terminales de salida, ubicados en la parte derecha del chasis. Los puertos del microcontrolador utilizados para las salidas son el puerto D y el puerto B, cada puerto de salida cuenta con un selector, que permite elegir el nivel de voltaje que será entregado en cada terminal de salida, los voltajes pueden ser 0, 5,12 y 24 voltios DC. El estado de activación y desactivación de las entradas y las salidas del PLC, puede ser observado a través de 28 Leds localizados en la parte superior izquierda del prototipo. Para identificar el estado de las entradas se utilizaron 12 Leds de color amarillo, y para las salidas 16 Leds de color verde. La comunicación del PLC con el PC, se lleva a cabo a través del puerto USB, utilizando para ello el circuito integrado FT232RL. El cable de conexión USB, está localizado en la parte frontal inferior derecha del prototipo. Para cargar el programa desarrollado al PLC, se utiliza el programador Pic Kit™ 2, de Microchip, utilizando el puerto USB para transferir los datos de

programacion a la memoria del PLC (el microcontrolador PIC 16F877). El cable de programacion USB, está ubicado al lado del cable de comunicación, en la parte frontal inferior derecha del chasis. El PLC, puede ser programado con cualquier lenguaje de programación utilizado para programar microcontroladores PIC de Microchip. Sin embargo, se propone la utilización de un software llamado LDmicro, que permite realizar programacion en lenguaje de escalera, que es un lenguaje utilizado en la industria para programar PLC’s 16


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1. PRESENTACIÓN

En el campodedediversas la automatización encuentran herramientas dispositivos clases queindustrial, cumplensefunciones específicas en lay industria, dentro de esta gama de artículos se tiene el controlador lógico programable o PLC. Los PLC´s, son dispositivos electrónicos creados específicamente para el control de procesos secuenciales, sustituyen a los relés convencionales utilizados en la industria pero su diseño le confiere una robustez especial, pues aporta la solución más versátil de software en un lenguaje especial, con el fin de lograr que una maquina o cualquier otro dispositivo funcione de forma automática, para ello dispone de un conjunto de símbolos que representan la lógica de los contactos: NA (normalmente abierto), NC (normalmente cerrado), temporización ON u OFF , contador y operadores aritméticos. De este modo pueden desarrollarse programas que controlen cualquier tipo proceso y comprobarlos con un simulador antes de acoplar el controlador al dispositivo. En el presente proyecto se trabaja en el diseño y fabricación de un PLC que será capaz de realizar funciones de control. Uno de los aspectos más importantes de un PLC es su memoria, en la cual está grabado el programa que ejecuta las ordenes de las acciones que este tiene que realizar en determinado momento. Como memoria para el PLC se ha escogido el microcontrolador PIC 16F877 de Microchip, lo que permitirá la ejecución de un gran número de instrucciones y brinda la posibilidad de programar el PLC cada vez que se necesite, a través de la programación serial in-circuit ICSP. Se propone la utilización de un programa llamado LDmicro, que permite escribir el códigoel en lenguaje escalera o ladder, guardar programa condeuna extensión .HEX. simular la lógica programada y El controlador cuenta con una cantidad de doce entradas que permitirán trabajar con voltajes de 5, 12 y 24 voltios DC, tres entradas para realizar conversiones de voltaje análogo a digital, y dieciséis salidas que permiten entregar tres niveles de voltaje diferentes de 5, 12 y 24 voltios DC, utilizando para ello un selector de voltaje.

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Una fuente de alimentación integrada en el PLC proporcionara la energía que necesita para activar los distintos circuitos que lo conforman. Esta fuente permitirá conectar el PLC a la línea de 110 voltios AC de cualquier toma corriente, proporcionando salidas con tensiones de 24 voltios, 12 voltios y 5 voltios en corriente directa DC. El sistema de comunicación establecido permitirá intercambiar datos entre el controlador lógico programable y el computador, a través del puerto USB utilizando el circuito integrado FT232 RL. El estado de activación de las entradas se determina utilizando 12 diodos leds, de color amarillo. Para determinar el estado de activación de las salidas se utilizan 16 diodos leds de color verde. Los diodos leds están ubicados en la parte superior izquierda del prototipo.

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2. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA

El control de procesos industriales se realiza con ayuda de controladores lógicos programables PLC`s, estos permiten accionar dispositivos actuadores en respuesta a señales de entrada ya sean del tipo digital o análoga, respondiendo a un determinado programa de control almacenado en su memoria. La programación de los PLC`s se puede realizar en tres lenguajes diferentes como lo son: ladder o lenguaje de escalera, AWL o lista de instrucciones y en diagramas funcionales o FUP. Estos lenguajes son enseñados a nivel universitario en los cursos de automatización industrial con la ayuda de simuladores que permiten evaluar el funcionamiento de programas siendo de gran utilidad al momento de diseñar cualquier tipo de control lógico. Sin embargo la adquisición de estos dispositivos tiene un costo elevado, es necesario por ende contar con controladores lógico programables asequibles capaces de realizar tareas de control al igual que los que se encuentran en mercado distribuidos por marcas reconocidas a nivel mundial. Con este proyecto se busca construir un controlador lógico programable que cumpla con los requerimientos básicos de hardware y software, que pueda ser programado con el lenguaje ladder, que cuente con entradas y salidas para trabajar con señales análogas y digitales, y que los costos de fabricación sean reducidos en comparación con los PLC comerciales. ¿De qué manera se puede diseñar un controlador lógico programable con las funciones básicas de un PLC utilizando un microcontrolador PIC 16F877 y que a su vez los costos de fabricación sean reducidos en comparación con los PLC comerciales?

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3. ESTADO DE DESARROLLO La utilización de controladores lógico programables a nivel industrial es un mercado altamente creciente, debido a las características que estos poseen y las cantidades de tareas que pueden realizar en el control de procesos. El alto costo que tienen los PLC’s ha despertado el interé s de personas dedicadas a la electrónica y la programación a diseñar herramientas versátiles, útiles y comparables a los PLC`s comerciales ofrecidos por distintos fabricantes como son OMROM, SIEMENS, EBERLY Y BOSCH entre otros. La tendencia de diseño para esta clase de PLC, está basada en la utilización de materiales que pueden ser adquiridos con precios relativamente bajos. La memoria que se ha utilizado como unidad de control y sobre la cual descansa y se ejecuta el programa, es el microcontrolador de la familia de Microchip en sus distintas referencias y procesadores de la serie AVR de Atmel. Los actuadores y captadores están basados en relés, transistores, diodos emisores de luz (leds), opto acopladores, y resistores. El lenguaje de programación con el que se han escritos los códigos de los distintos proyectos sido variado. la utilización de assembler para la creación de ha Macros, otros porSesuencuentra parte desarrollan los códigos con los lenguajes para PLC como el lenguaje de escalera, con la ayuda de programas que le permiten traducir el código a una extensión que pueda ser entendida por el microcontrolador. Para citar, el trabajo encontrado en (1), que se trata de un autómata de 8 entradas y 8 salidas construido con el PIC 16F84. Para realizar el sistema operativo el autor utilizó macros, lo que le permitió convertir las instrucciones en ensamblador en instrucciones estándar usadas por autómatas programables. Integró el programador dentro del autómata para descargar los programas utilizando el puerto paralelo. En el hardware, utilizó relés de cinco voltios para las salidas, opto acopladores para aislar las entradas, la fuente de alimentación y los chips TTL auxiliares. El entorno de programación utilizado fue el MPLAB de microchip, usado para editar, compilar y generar los ficheros .Hex de los programas. Para simular el funcionamiento de los programas, se utilizó la herramienta de simulación paso a paso que posee el MPLAB. En el proyecto titulado Diseño de un controlador lógico programable orientado a la agroindustria encontrado en (2), se diseñó y construyó un PLC que posee como unidad central de procesamiento al microcontrolador PIC 16F877A. La unidad central recibe datos de un conjunto de módulos encargados del 20


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acondicionamiento de voltajes digitales y análogos. Estos módulos permiten censar variables específicas de procesos agroindustriales como la intensidad luminosa. El controlador cuenta con un módulo de etapa de potencia. El sistema de desarrollo permite monitorear oserial cambiar parámetros mediante del proceso controlado, a través de la comunicación con los el computador el estándar RS232. Para la realización del código de programación el autor utilizó el software LDmicro, realizando una modificación al código fuente para poder programar al microcontrolador directamente desde de interfaz del LDmicro. La universidad del Magdalena cuenta con una celda de manufactura o FMS en el laboratorio de procesos industriales. Esta celda posee un PLC que cumple con la función de hacer desplazar el brazo robótico por una banda transportadora de nombre LSB (Linear Slidebase Belt-drive) o base de desplazamiento lineal. Se hace uso de un software llamado SCORBASE, que permite supervisar y controlar el estado de las entradas y salidas del controlador lógico programable, programar las interrupciones para el cambio del estado de las entradas entre otras funciones. El PLC posee 10 salidas que son: 4 salidas digitales por relé, que entregan un voltaje máximo de 24 V y una corriente máxima de 1.5 A, 4 salidas digitales de colector abierto, que permiten manejar un voltaje de salida de 24 V y una salida máxima de corriente de 0.5 A y 2 salidas análogas, que poseen un conversor análogo a digital de 8 bits de resolución y una salida de voltaje de 0-10 V, con una corriente limitada a 20 mA. El controlador lógico programable posee 8 entradas digitales y cuatro entradas análogas, además cuenta con 8 Leds verdes que permiten mostrar el estado de Las entradas individuales. Las entradas análogas reciben la información análoga y cuentan con una resolución de 8 bits trabajando con un rango en voltaje de 0-10 V. [1]

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4. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL

4.1 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES PLC Un controlador lógico programable (PLC, programmable logic controller) es un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas para controlar máquinas y procesos y que se ha diseñado específicamente para programarse con facilidad. Este tipo de procesadores se denomina lógico debido a que la programación tiene que ver principalmente con la ejecución de operaciones lógicas y de conmutación. Los dispositivos de entrada (como interruptores) y los dispositivos de salida (como motores) que están bajo control, se conectan al PLC, y después el controlador monitorea las entradas y salidas de acuerdo con el programa almacenado por el operador en el PLC. En un principio, el propósito de estos controladores fue sustituir la conexión física de relevadores de los sistemas de control lógicos y de sincronización. Los PLC, tienen la gran ventaja de que permiten modificar un sistema de control sin tener que volver a alambrar las conexiones de los dispositivos de entrada y salida; basta con También que el operador digite en unson teclado instrucciones correspondientes. estos controladores más las rápidos que los sistemas a base de relevadores. El resultado es un sistema flexible que se puede usar para controlar sistemas muy diversos en su naturaleza y su complejidad. Tales sistemas se usan ampliamente para la implementación de funciones lógicas de control debido a que son fáciles de usar y programar. [2]

Los PLC son similares sua empleo los computadores, pero tienen específicas que permiten como controladores. Estas características características son: 1. Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y ruido. 2. La interface para las entradas y salidas están dentro del controlador.

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3. Es muy fácil programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La programación básicamente consiste en operaciones de lógica y conmutación. 4.1.1 Estructura básica del PLC. La estructura interna básica de un PLC en esencia, consiste en una unidad central de procesamiento (CPU), memoria y circuitos de entrada/salida. La CPU controla y procesa todas las operaciones dentro del PLC. Cuenta con un temporizador cuya frecuencia típica es entre 1 y 8 MHz Esta frecuencia determina la velocidad de operación del PLC y es la fuente de temporización y sincronización de todos los elementos del sistema. Un sistema de buses lleva información y datos desde y hacia la CPU, la memoria y las unidades de entrada/salida. Los elementos de la memoria son: una ROM para guardar en forma permanente la información del sistema operativo y datos corregidos; una RAM para el programa de usuario y memoria buffer temporal para los canales de entrada/salida. El usuario puede modificar los programas en la RAM. Sin embargo, para evitar que estos programas se pierdan durante una interrupción del suministro de energía eléctrica, en el PLC se utiliza una batería, para mantener el código de la RAM durante un periodo. Una vez elaborado un programa y guardado en la RAM, se puede cargar en un chip de memoria EPROM para que quede guardo de manera permanente. Las especificaciones de PLC pequeños, con frecuencia indican la capacidad de la memoria del programa en función de la cantidad de pasos de programa que es posible guardar. Un paso de programa es la instrucción para que ocurra cierto evento. El programa puede constituir en varios pasos por ejemplo: examinar el estado del interruptor A y del interruptor B; si A y B están cerrados, dar energía al solenoide P, lo que tal vez resulte en la operación de un actuador. Cuando esto ocurre, puede iniciar otra tarea. Por lo general, un PLC pequeño puede manejar de 300 a 1000 pasos, más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones de control. [2] 4.1.2 Interfaces de entrada/salida. La unidad de entrada/salida es la interface entre el sistema y el mundo externo. Para introducir programas en esta unidad se usa un tablero, que puede variar de un pequeño teclado con pantalla de cristal líquido, a los que usan unidades de representación visual (VDU, visual display unit) con teclado y pantalla. También es posible introducir los programas al sistema mediante un enlace con una computadora personal que se carga con un paquete de software apropiado. [2]

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Los canales de entrada/salida proporcionan funciones para el acondicionamiento y aislamiento de señales, lo que permite conectarlos directamente a sensores y actuadores, sin necesidad de otros circuitos. Los voltajes de entrada comunes son 5, 12 y 24 voltios DC. Los voltajes comunes de salida son 24 y 240 voltios DC. La especificación del tipo de las salidas generalmente es tipo relevador, tipo transistor o tipo triac. En el tipo relevador la señal de salida del PLC se utiliza para operar un relevador, por lo que este es capaz de conmutar corrientes del orden de unos pocos amperes en un circuito externo. El relevador aísla al PLC del circuito externo, y se emplea tanto para la conmutación de DC como la de AC. Sin embargo, los relevadores funcionan con relativa lentitud. El transistor realiza la conmutación con mayor rapidez. Usando la convención de la dirección del flujo de corriente de positivo a negativo, un dispositivo de salida recibe la corriente de un módulo de salida y lo que se conoce como drenado de corriente (sourcing). Los optoaisladores se usan con transistores de conmutación para lograr el aislamiento entre los circuitos externos y el PLC. La salida tipo transistor solo se utiliza en la conmutación de CD. Las salidas tipo triac se usan para controlar cargas externas que se conectan a la fuente de alimentación de ca. En este caso también se emplean optoaisladores. [2] 4.1.3 Procesamiento de la entrada/salida. La forma básica de programación más común en los PLC es la programación en lenguaje de escalera. Ésta especifica cada una de las tareas de un programa como si fueran los escalones de una escalera. En cada escalón se especifica, por ejemplo, la revisión de los interruptores A y B (las entradas); si ambos están cerrados, se proporciona energía a un solenoide (la salida). La secuencia que sigue un PLC para realizar un programa se resume de la siguiente manera: 1. Explorar las entradas asociadas a un escalón del programa de escalera. 2. Resolver la operación lógica de ese escalón. 3. Encender/apagar las salidas de ese escalón. 4. Continuar con el siguiente escalón y repetir los pasos 1,2 y 3. 5. Continuar con el siguiente escalón y repetir los pasos 1,2 y 3. 24


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Y así sucesivamente, hasta finalizar el programa.

Los escalones del programa lenguaje se exploran de acuerdopara con la secuencia respectiva. Existenen dos formas de exploración el procesamiento de entrada/salida, y son por actualización continua y por copiado masivo de entradas y salidas. [2] 4.1.3.1 Actualización continúa. En este caso, la CPU explora los canales de entrada de acuerdo con la secuencia del programa. Cada punto de entrada se revisa por separado y se determina su efecto en el programa. Existe un retardo inherente, por lo general de unos 3 ms, cuando se revisa cada una de las entradas para asegurar que el microprocesador sólo lea las señales de entrada válidas. Este retardo evita que el microprocesador cometa el error de contar una señal de entrada dos o más veces, si hay rebotes de los contactos en el interruptor. Antes de que el programa envíe la instrucción para ejecutar una operación lógica y se produzca una salida, se exploran varias entradas, cada exploración con un retardo de 3 ms. Las salidas quedan retenidas de manera que su estado se mantiene hasta la siguiente actualización. [2] 4.1.3.2 Copiado masivo de entrada/salida. Dado que con la actualización continua se produce un retardo de 3ms por cada entrada, el tiempo total para revisar cientos de puntos de entrada/salida puede ser comparativamente largo. Para que el programa se ejecute más rápido, un área específica de la RAM se utiliza como memoria intermedia o buffer entre la unidad de lógica de control y la unidad de entrada/salida. Cada entrada/salida tiene una dirección en esta memoria. Al inicio de cada ciclo de programa, la CPU muestra todas las entradas y copia sus estados en las direcciones de entrada/salida de la RAM. Conforme se ejecuta el programa, se leen los datos de entrada guardados en la RAM, según se requiera y se ejecuten las operaciones lógicas. Las señales de salida producidas se guardan en la sección de reserva para entrada/salida en la RAM. Al término de un ciclo de programa, las salidas

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Se envían de la RAM a los canales de salida. Las salidas quedan retenidas para que conserven su estado hasta la siguiente actualización. [2] 4.1.4 Programación. PLC basada en diagrama escaleras, consiste enLala programación elaboración dedeununprograma de manera similardea como se dibuja un circuito de contactos eléctricos. El diagrama de escalera tiene dos líneas verticales que representan las líneas de alimentación. Los circuitos se disponen como líneas horizontales, es decir, como escalones de una escalera, sujetos entre las dos líneas verticales. Cuando se dibuja la línea de circulo de un escalón, las entradas siempre preceden a las salidas y debe haber por lo menos una salida por cada línea. Los escalones deben empezar con una o varias entradas y terminar con una salida. Las entradas y salidas están numeradas y la notación utilizada depende del fabricante del PLC. [2] 4.1.5 Funciones lógicas. Las funciones lógicas se pueden obtener con una combinación de interruptores, entre estas se tiene las siguientes funciones: 4.1.5.1 Función AND. La figura 1, muestra un solenoide que no se energiza a menos que dos interruptores, normalmente abiertos, se cierren. Si los interruptores A y B están cerrados, se obtiene la función lógica AND.

Figura 1. Representación en contactos función AND .

A

B

Solenoide

La representación en lenguaje de escalera de la función lógica AND, puede observarse en la figura 2. El diagrama de escalera empieza con un contacto normalmente abierto (entrada 1), en serie, con otro contacto normalmente abierto (entrada 2). La línea termina con una bobina que representa la salida, conectada en serie con los contactos normalmente abiertos. [2]

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Figura 2. Representación de la Función AND en lenguaje de escalera .

Entrada 1

Entrada 2

Salida

END

4.1.5.2 Función OR. La figura 3, ilustra un solenoide que no se energiza hasta que uno de los interruptores A o B, normalmente abiertos, se cierra, situación que corresponde a una compuerta lógica OR. Figura 3. Representación de Contactos Función OR. A

Solenoide

B

La representación en lenguaje de escalera de la función lógica OR, puede observarse la figura 4. El diagrama escalera empiezacon conotro un contacto normalmenteenabierto (entrada 1), que sede conecta en paralelo normalmente abierto (entrada 2). La salida es representada por una bobina, que se conecta en serie con el paralelo de las entradas 1 y 2. [2]

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Figura 4. Representación de la Función OR en lenguaje de escalera.

Entrada 1

Salida

Entrada 2

END

4.1.5.3 Función NOR. La figura 5, muestra como representar el diagrama del programa de escalera para una compuerta NOR. El programa escalera muestra la entrada 1 en serie con la entrada 2, ambas representadas por contactos normalmente cerrados. [2] Figura 5. Representación de la Función NOR en lenguaje de escalera.

Entrada 1

Entrada 2

Salida

END

4.1.5.4 Función NAND. La figura 6 muestra, cómo representar una compuerta NAND. No hay salida cuando la entrada 1 y la entrada 2 tienen voltaje. El diagrama del programa de escalera indica que para que haya salida se requiere que no haya voltaje en la entrada 1 ni en la entrada 2. [2]

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Figura 6. Representación de la Función NAND en lenguaje de escalera. Entrada 1

Salida

Entrada 2

END

4.1.5.5 Función XOR. La figura 7, muestra cómo dibujar el diagrama de un programa de escalera para una compuerta XOR. Donde no hay salida cuando no hay voltaje para la entrada 1 ni para la entrada 2 y tampoco cuando hay voltaje tanto en la entrada 1 como en la entrada 2. Las entradas están representadas por dos juegos de contactos, uno normalmente abierto y otro normalmente cerrado. [2] Figura 7. Representación de la Función XOR en lenguaje de escalera.

Entrada 1

Entrada 1

Entrada 2

Salida

Entrada 2

END

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4.1.6 Circuito de enclavamiento. Con frecuencia se presentan situaciones en las que es necesario mantener energizada una bobina, aun cuando ya no exista la entrada que proporciona la energía. Para lograrlo se utiliza lo que se conoce como circuito de enclavamiento. El circuito de enclavamiento, es un circuito de auto sostenimiento, ya que después de ser energizado se mantiene el estado hasta que recibe otra entrada. Es decir, recuerda su último estado. [2] La figura 8 muestra el diagrama de escalera del circuito de enclavamiento general. Figura 8. Representación del circuito de enclavamiento en ladder

Entrada 1

Entrada 2

Salida

Salida

END

4.1.7 Mnemónicos. Cada uno de los escalones de un programa en escalera representa una línea del programa, la escalera constituye el programa completo en “lenguaje de escalera”. Para introducir el programa en el PLC, el

programador emplea unlos teclado con los gráficos de los elementos escalera o selecciona símbolos en símbolos una pantalla de computadora con de un ratón. El panel o computadora que contiene el programa traduce los símbolos a lenguaje de máquina que se guardan en la memoria del PLC. Otra manera de introducir un programa es traducir el programa de escalera en instrucciones llamadas mnemónicos, donde cada línea de código corresponde a un elemento de la escalera, después estos se traducen al lenguaje de máquina. Los mnemónicos difieren de un fabricante a otro. [2]

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Algunos de los mnemónicos utilizados son: LD: inicia un escalón. LDN: carga el valor negado. OUT: indica un elementa de salida A: representa un elemento en serie y por lo tanto una instrucción lógica and. O: elementos en paralelo, instrucción lógica OR. AN: función Y-NO. ON:= función O-NO. (=): se utiliza para asignar un valor específico. END: fin de la programa. [2] 4.1.8 Temporizadores, relevadores internos y contadores. Existen tareas en las que se requieren retardos y conteo de eventos. Para estos casos, pueden emplearse algunos dispositivos de los PLC como temporizadores y contadores, los cuales se controlan mediante instrucciones lógicas se pueden representar en diagramas de escalera. El sistema para numerar lasyfunciones difiere de uno a otro fabricante de PLC. [2] 4.1.8.1 Temporizadores. Para especificar un circuito de temporización hay que indicar cuál es el intervalo de temporización, así como las condiciones o eventos que producirán la activación y paro del temporizador. En términos generales, es posible establecer un símil entre temporizadores y relevadores con bobinas, que cuando se energizan, cierran o abren contactos después de un tiempo preestablecido. La figura 9 muestra parte de un programa que incluye un temporizador de retardo a la activación. Cuando se recibe un voltaje en la entrada, se activa el temporizador y se inicia la temporización, después de cierto tiempo establecido, los contactos asociados con el temporizador se cierran y se produce la salida. [2]

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Figura 9. Temporizador de retardo a la activación

Entrada

Temporizador

Temporizador

Salida

END

Para lograr tiempos de retardo mayores que los se pueden obtener con un solo temporizador, se conectan entre si varios temporizadores, esto se conoce como conexión en cascada, como se muestra en la figura 10. Cuando los contactos de entrada se cierran, se activa el temporizador 1, después de su tiempo de retardo, su contacto se cierra y se activa el temporizador 2, después del tiempo de retardo, se cierra su contacto y se genera una salida. [2]

Figura 10. Temporizadores en cascada Temporizador 1 Entrada

Temporizador 2

Temporizador 1

Temporizador 2

Salida

END

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4.1.8.2 Relevadores internos. Los términos relevador interno, relevador auxiliar o marcador se refieren a todo lo que se puede considerar un relevador interno del PLC. Si bien éstos se comportan como relevadores con sus respectivos no son verdaderos contactos, simulaciones contactos, del softwareendelrealidad PLC. Algunos tienen respaldo de baterías ysino se emplean en circuitos para garantizar la seguridad en el corte de energía en una planta cuando hay una interrupción del suministro eléctrico. Los relevadores internos son muy útiles en la implantación de secuencias de conmutación. Los relevadores internos se utilizan con frecuencia, en programas con muchas condiciones de entrada. A modo de ejemplo se puede tener una salida que dependa de dos condiciones de entrada distintas. La figura 11 muestra cómo elaborar un diagrama de escalera con relevadores internos. El primer escalón muestra una condición de entrada para controlar la bobina del relevador interno, R1. El segundo peldaño muestra la segunda condición de entrada para controlar la bobina del relevador interno R2, los contactos de ambos relevadores se comportan como compuerta OR para controlar la salida. [2] Figura 11. Diagrama de escalera de relevadores Internos

R1

Entrada 1

Entrada 2

Entrada 4

R2

Salida

R1

R2

END

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4.1.8.3 Contadores. Los contadores se usan cuando es necesario contar las veces que se acciona un contacto. Los circuitos adecuados para contar son una característica interna de los PLC, en la mayoría de los casos el contador funciona comodeununcontador regresivo, es decir, contador va disminuyendo su valor a partir valor preestablecido, hastaelcero, los eventos se restan de un valor inicial. En un contador progresivo, el conteo aumenta hasta un valor predeterminado, es decir, los eventos se suman hasta llegar al valor deseado, cuando se alcanza, el contacto del contador cambia de estado. La figura 12 muestra un programa básico de conteo. En un diagrama de escalera, la presentación del contador varia de acuerdo al fabricante, en la figura 12, es representada por un rectángulo que abarca dos líneas. En una de ellas se encuentra la señal de reinicio del contador, la otra es la línea de salida y el C10 indica que el contacto del contador modificará su estado en el décimo pulso. Cuando el contacto de la entrada 1 se cierra por un momento, se restablece el valor preestablecido del contador. El contador procede a contar el número de pulsos que produce la apertura y cerrado del contacto de la entrada 2, cuando este conteo llega al valor preestablecido, en este caso 10, se cierra el contacto del contador, la salida se enciende después de 10 pulsos de la entrada 2. [2] Figura 12. Diagrama en escalera de un contador

Entrada 1

REINICIO

Contador C10 SALIDA

Entrada 2

Salida

Contador

END

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4.1.9 Registros de corrimiento. Varios relevadores internos se agrupan para formar un registro que sirve como área de memoria de una secuencia de bits en serie. Se utiliza el término registro de corrimiento, porque los bits se recorren una posición cuando llega una entrada al registro. El agrupamiento de varios registros auxiliares para formar un registro de corrimiento se realiza de manera automática en el PLC al elegir la función del registro de corrimiento en un panel de control. [2] 4.1.10 Relevador maestro. Es posible conectar o desconectar a la vez una gran cantidad de salidas usando el mismo contacto de relevador interno en cada escalón de la escalera, de manera que al activarlo o desactivarlo afecte todos los escalones. Para esto se utiliza la aplicación del relevador maestro. La figura 13 ilustra su uso. Se puede pensar que este relevador controla la alimentación de cierto número de escalones subsecuentes a la escalera. Cuando una señal de entrada cierra el contacto de la entrada 1, se activa el relevador maestro MR1 y luego se activa todo el grupo de escalones controlados por el relevador. El final de una sección controlada por un relevador maestro se indica insertando un símbolo de determinación que varía de acuerdo al fabricante, en la figura 13 lo indicara el símbolo MCR. Si no hubiera señal en la entrada 1, el siguiente escalón del programa será la entrada 4 que controla la salida 3. [2]

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Figura 13. Representación de un control maestro

MR1 Entrada 1

Salida 1

Entrada 2

Salida 2

Entrada 3

MCR Salida 3 Entrada 4

END

4.1.11 Manejo de datos. En algunas tareas de control conviene utilizar grupos de bits relacionados entre sí como un bloque de entradas y manejarlos como una palabra de datos. Las operaciones que los PLC pueden realizar con palabras de datos, en general incluyen: 

Transporte de datos.



Comparación de la magnitud de los datos, es decir, mayor que, igual o menor que.

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

Operaciones aritméticas como suma y resta. [2]

4.1.11.1 Movimiento de datos. Para mover datos la deinstrucción correspondiente debe contener la instrucción de movimiento datos, la dirección de origen de los datos y la dirección destino. Así, el escalón de la escalera podría ser de la forma mostrada en el figura 14. Figura 14. Representación de movimiento de datos en ladder

Entrada

Mov

Origen

Destino

END

Esta transferencia de datos puede ser para mover una constante a un registro de datos, un valor de temporización a de conteo a un registro de datos, datos de un registro de datos a un temporizador o a un contador, datos de registro de datos a una salida, datos de entrada a un registro de datos etcétera. [2] 4.1.11.2 Comparación de datos. En general los PLC realizan comparaciones de datos como menor que representado por el símbolo (<), igual (=), menor o igual que (≤), mayor que (>), mayor o igual que (≥), y diferente de (≠ o <>).

Para comparar los datos, el programa usa una instrucción de comparación, la instrucción de origen de datos y la dirección destino por lo general, sin embargo la sintaxis puede variar de acuerdo con el fabricante. [2] 4.1.11.3 Operaciones aritméticas. Algunos PLC sólo realizan operaciones aritméticas de suma y resta, otros tienen más funciones aritméticas. La instrucción para sumar o restar en general requiere la instrucción, el registro que contiene la dirección del valor que se va a sumar o restar, la dirección de la 37


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cantidad a la que se le va a sumar o restar el valor y el registro donde se guardará el resultado. La figura 15 muestra el símbolo en lenguaje de escalera utilizado para la suma con OMRON. Figura 15. Representación en lenguaje de escalera de suma de datos

Entrad

ADD

Instrucción suma

Au

Primer sumando

Ag

Segundo sumando

R

Resultado

END

La suma o la resta se pueden usar para modificar el valor de algún valor de entrada de un sensor, quizás un término de corrección o corrimiento, o para alterar valores predeterminados de temporizadores o contadores. [2]

4.2 MICROCONTROLADORES Un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tarea determinada como el control. Un sistema con microcontrolador debe disponer de una memoria donde se almacena el programa que gobierna el funcionamiento del mismo, que una vez programado y configurado, solo sirve para realizar esa tarea asignada.

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La utilización de este componente electrónico, es quizás la herramienta más versátil que existe, sus aplicaciones están limitadas solo por la imaginación, y el uso de estos garantiza una reducción notable del tamaño y número de componentes, y en consecuencia, disminuye el número de averías, volumen y peso de equipos. Por otro lado la automatización industrial no se podía quedar por fuera de esta tecnología , dispositivos como los PLC , cuentan en su estructura interna con un microcontrolador que se constituye como el elemento principal para su funcionamiento. De este modo se aprovechan todas sus propiedades y módulos internos tales como conversores A/D, puertos seriales y paralelos, temporizadores, módulos PWM, interrupciones etc. 4.2.1 Elementos de los microcontroladores. Los elementos más comunes de todo tipo de microcontroladores y sistemas son los siguientes. 4.2.1.1 El procesador. Es el elemento más importante del microcontrolador y determina sus principales características, tanto a nivel hardware como software. Se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir el código de la instrucción en curso, su decodificación y la ejecución de la operación que implica la instrucción, así como la búsqueda de las operaciones y el almacenamiento del resultado. [3] 4.2.1.2 Memoria. En los microcontroladores la memoria de instrucciones y de datos está integrada en el propio chip. Una parte no volátil, la memoria de programa, se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte volátil, la memoria de datos se designa a guardar las variables y los datos. El microcontrolador solo se destina a una tarea en la memoria de programa, solo hay que almacenaresundeúnico de pues trabajo. La debe memoria de datos, en estos dispositivos pocaprograma capacidad solo contener las variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa. Por otra parte, como solo existe un programa activo, no se requiere guardar una copia del mismo en la memoria de datos, pues se ejecuta directamente desde la memoria de programa. [3] 4.2.1.3 Puertas de entrada y salida. Las puertas de entrada y salida (E/S) permiten comunicar al microcontrolador con el mundo exterior, a través de interfaces, con otros dispositivos. Estas puertas, también llamadas puertos, son la principal utilidad de los pines de un microcontrolador. 39


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Según los tipos de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, las líneas de E/S se destinan para proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control. [3] 4.2.1.4 Reloj principal. Todos los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema. Esta señal de reloj es el motor del sistema y la que hace que el programa y los contadores avancen. Generalmente, el circuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y solo se necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen constituir en un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o una red R-C. [3] 4.2.2 El PIC 16F877. Bajo la denominación de PIC16F877 se hace referencia a una subfamilia de microcontroladores PIC de la gama media, que se identifica por tener como memoria de programa una de tipo FLASH mejorada y una serie de recursos semejante a los modelos más potentes. [4] 4.2.2.1 Características del PIC 16F877: Procesador de arquitectura RISC avanzada. Juego de 35 instrucciones con 14 bits de longitud. Todas ellas se ejecutan en un ciclo de instrucción, menos las de salto que tardan dos. Frecuencia de 20MHz. Hasta 8K palabras de 14 bits para la memoria de código, tipo FLASH. Hasta 368 bytes de memoria de datos RAM. Hasta 256 bytes de memoria de datos EEPROM. Hasta 15 fuentes de interrupción internas y externas. Pila con 8 niveles. Modos de direccionamiento directo, indirecto, y relativo. Perro Guardián (WDT). Código de protección programable. 40


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Modo SLEEP de bajo consumo. Programación serie en circuito con dos pines. Voltaje de alimentación comprendido entre 2 y 5,5V. Bajo consumo (menos de 1.6 mA a 5V y 4 MHz). [4] 4.2.2.2 Dispositivos periféricos del PIC 16F877: Timer0: temporizador-contador de 8 bits con pre divisor de 8 bits. Timer1: temporizador-contador de 16 bits con pre divisor. Dos módulos de captura-comparación-PWM. Conversor A/D de 10 bits. Puerto serie síncrono (SSP) con SPI e I2C. USART. Puerta paralela esclava (PSP). Solo en encapsulados con 40 pines. Módulos de comparación analógicos.[4] 4.2.2.3 Diagrama de bloques del PIC 16F877. En la figura 16, se detalla en forma de bloques la organización interna del PIC 16F877.

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Figura 16. Diagrama de bloque de la estructura interna del pic 16f877

Fuente: https://reader003.{domain}/reader003/html5/0211/5a80211d0494d/5a80212f8e0

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4.3 CIRCUITO INTEGRADO FT232 RL

El circuito integrado FT 232 RL es un conversor USB-Serial (USB-UART), permite reemplazar el puerto RS232 por un puerto USB. (9) 4.3.1 Características del FT232 RL Completo manejo del protocolo USB. Interfaz serie asíncrono de transferencia de datos. Tasa de transferencia de 300 Baudios a 3M Baudio (RS422, RS485, RS232) a niveles TTL. Compatible con USB 1.1 y USB 2.0. Tensión de alimentación 3,3V a 5.25 V. No requiere cristal ni componentes externos para su funcionamiento. UART compatible con la interfaz de 7 u 8 bits, 1 o 2 bits de parada y par/impar/marca/especio/sin paridad. Rango de temperatura de operación de -40° C a 85°C. FIFO búfer de recepción y transmisión de alto rendimiento de datos. Posee una memoria interna EEPROM de 1024 bits. Compatible con el controlador de host UHCI/OHCI/EHCI.

Encapsulado 28-SSOP. (9) 43


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En la figura 17 se observa la imagen del circuito integrado FT232RL de FTDI.

Figura 17. Circuito integrado FT232RL

Fuente : http://www.didacticaselectronicas.com/index.php?page=shop.product_d etails&flypage=flypage.tpl&product_id=226&category_id=35&option=com_virtue mart&Itemid=6

4.4 BUS SERIE UNIVERSAL USB El bus serie universal fue creado en los años 90 por una asociación de empresas con la idea, entre otras de mejorar las técnicas plug-and-play, es decir, permitir a los dispositivos conectarse y desconectarse sin necesidad de reiniciación, configurándose automáticamente al ser conectados; además se le doto de transmisión de energía eléctrica para los dispositivos conectados. Este bus tiene una estructura de árbol y se pueden ir conectando dispositivos en cadena, pudiéndose conectar hasta 127 dispositivos permitiendo la transferencia síncrona y asíncrona. Se puede clasificar según su velocidad de transferencia de datos (desde kilobits hasta megabits): Baja velocidad (1.0) utilizado para dispositivos de interfaz humana (HID) como ratones, etc.; Velocidad completa (1.1) y Alta velocidad (2.0) para conexiones a internet, etc.

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Físicamente, los datos del USB se transmiten por un par trenzado (D+ y D-) además de la tierra y alimentación (+5V). Los conectores están sujetos al estándar (tipo A, tipo B). USB es un bus punto a punto, con inicio en el HOST y destino en un dispositivo o en un HUB; sólo puede existir un único HOST en la arquitectura USB. Host se define como el dispositivo maestro que inicializa la comunicación y Hub es el dispositivo que contiene uno o más conectores o conexiones hacia otros dispositivos USB; cada conector es un puerto USB. El protocolo de comunicación se basa en el paso de testigo (token), donde el HOST proporciona el testigo al dispositivo seleccionado y este devuelve el testigo como respuesta. [6] 4.4.1 Características del USB. 

Auto detección y configuración (plug & play)



Fácil expansión utilizando Hubs



Alimentación propia del bus



Posibilidad de conectar hasta 127 periféricos



Tres tipos de velocidades 

Baja (Low Speed)- 1.5 Mb/s



Mediana (Full Speed)- 12 Mb/s



Alta (High Speed)- 480 Mb/s . [6]

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4.5 PROGRAMACIÓN ICSP

La programación in-circuit permite cargar el programa al microcontrolador en el circuito de aplicación, sin necesidad de sacar el encapsulado, aumentando de esta forma el desempeño y la aplicación del diseño. La comunicación ICSP requiere cinco señales: ICSPDAT o PGD: Datos de Programación; es una línea de datos bidireccional sincrónica serial. ICSPCLK o PGC: Reloj de Programación; es una línea unidireccional sincrónica serial de reloj que va desde el programador hasta el microcontrolador. VPP: Voltaje de Programación; cuando es aplicado, el microcontrolador entra en el modo Programación.

VDD: Suministro de voltaje positivo. VSS: Negativo (tierra). [4] 4.5.1 Modo de programación ICSP. Existen dos maneras de hacer que el micro controlador entre en estado de programación. La primera de ellas es utilizando la HVP (High Voltage Programming, o programación por alto voltaje) que consta de aplicar un voltaje VIHH de (13V ± 0.5V), especificado en la hoja de datos del dispositivo, al pin 1 (Vpp/MCLR), la grabación hace uso de los pines RB6 (PGC, señal de reloj para la programación serial) y RB7 (PGD, señal de datos para la programación serial), para introducir y sincronizar los datos hacia el PIC. La segunda manera es mediante la LVP (Low Voltage Programming o programación por bajo voltaje), que se logra por medio de la activación del bit LVP pin RB3 de la palabra de configuración del micro controlador. [4]

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4.5.2 PIC Kit™ 2: El Pic Kit™ 2, es una herramienta para la programación de microcontroladores PIC de Microchip, y memorias seriales EEprom. El programador soporta dispositivos vía ICSP, permitiendo la programación en el circuito de aplicación. La unidad del Pic Kit™ 2 se muestra en la figura 18. (6) Figura 18. Programador Pic Kit ™ 2

Fuente : http://www.google.com.co/#hl=es419&sa=X&ei=xsU5ToqcJdCatweDws 3yAg&ved=0CBUQBSgA&q=manual+de+usuario+del+pickit2&spell=1&fp=f9efc e9d897393c8&biw=1280&bih=632

1 Leds de estado, 2 Pulsador, 3 Ranura de llavero, 4 Puerto USB, 5 Marca del pin1,

6 Conector de programación 47


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4.5.2.1 Leds de estado. Los Leds de estado indican el estado del Pic Kit™ 2 Power (verde): la alimentación es aplicada al Pic Kit™ 2 vía USB. Target (amarillo): el Pic Kit 2 está alimentando un dispositivo. Busy (rojo): el Pic Kit 2 está ocupado con una función en proceso. (6) 4.5.2.2 Pulsador. Permite iniciar la programación de un dispositivo cuando la función programmer>Write on PICkit Button es seleccionada del menú del programa de aplicación del Pic Kit™ 2. Puede ser utilizado para poner el sistema operativo del Pic Kit™ 2 en modo de gestor de arranque. (6) 4.5.2.3 Ranura de llavero. Esta prevista como dispositivo de seguridad físico. 4.5.2.4 Puerto USB. El puerto de conexión USB, es un conector del tipo mini-B. Conecta el Pic Kit™ 2 a la PC utilizando el cable para programación. (6) 4.5.2.5 Conector de programación. El conector de programación es de 6 pines con18 unmuestra espaciola.1” 0 25 mm, de que conecta al dispositivo (6) a programar. La figura descripción lossepines del programador.

Figura 19 .Descripción de los pines del programador PicKi t™ 2.

Fuente : http://www.google.com.co/#hl=es419&sa=X&ei=xsU5ToqcJdCatweDws 3yAg&ved=0CBUQBSgA&q=manual+de+usuario+del+pickit2&spell=1&fp=f9efc e9d897393c8&biw=1280&bih=632 48


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4.6 LD-MICRO El programa LD-micro genera el código nativo para determinados microcontroladores de Microchip y Atmel. El programa es un software de uso libre, puede ser adquirido gratuitamente de internet. LD-micro es un programa basado en la programación en lenguaje de escalera, utiliza bobinas, contactos normalmente abiertos (NA) y contactos normalmente cerrados (NC), temporizadores, contadores, permite hacer operaciones aritméticas y de comparación, por lo anterior la programación que se realiza es similar a la realizada para PLC comerciales. El software permite traducir la programación realizada en lenguaje de escalera a un archivo Intel .Hex necesario para programar el PIC seleccionado, de la misma forma se puede simular el funcionamiento de la lógica antes de realizar la programación. (3)

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5. JUSTIFICACIÓN

El tecnológico, ha permitido el incremento producción en tenga todos losdesarrollo sectores de la economía, con ello se espera, quedelalacalidad de vida un crecimiento en la misma medida en que crece la innovación tecnológica. La importancia de la electrónica en lo referente a sistema de control automático e industrial, ha crecido de manera exponencial, teniendo incidencia en procesos de vital importancia como lo es, la producción de alimentos hasta la producción en masa de artículos como vehículos de transporte marítimo, terrestre y aéreo, en los que están presentes distintos métodos de control electrónico avanzado, sin los cuales la realización y terminación del producto final no se alcanzaría. En la rama de automatización de procesos, la utilización de controladores lógico programables, a permitido que la ejecución de un gran número de actividades se puedan realizar de una manera más controlada y segura, aumentando la producción de las empresas, lo que conlleva a un crecimiento de competitividad encaminada a la búsqueda de la innovación cada vez más eficiente para la producción, por ello muchas son las empresas que están dedicadas a la comercialización y desarrollo de controladores lógico programables cada vez más eficientes, brindando un gran número de opciones a escoger de acuerdo al tipo de tarea que se pretenda realizar, a las dimensiones en las que el PLC tenga que trabajar y a la capacidad de programación que se requiera con respecto al tamaño de la memoria. Debido a la diversidad de empresas dedicadas a este negocio, existen distintos métodos de programación que varían de acuerdo al fabricante, Lo que obliga a las personas dedicadas a este campo a conocer distintos lenguajes y sintaxis para la programación. Sin embargo la lógica utilizada no varía en gran medida, lo que permite, que aprender a programar cualquier tipo de PLC independientemente de la marca no resulte en una tarea difícil.

Conocer método o lenguaje de programación entender la lógica deun programación y realizar proyectos de conautómatas, controladores lógico programable, se convierte en el primer paso para adentrarse en el campo de la automatización industrial. La realización del proyecto, brindará a la universidad del Magdalena una herramienta de trabajo útil en el área de automatización industrial, específicamente en lo referente a programación de PLC, lo que permitirá a estudiantes desarrollar trabajos y competencias en programación de controladores lógico programables.

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6. OJETIVOS

6.1 OBJETIVO GENERAL. 

Diseñar un controlador lógico programable que posea como unidad de procesamiento y control el microcontrolador PIC 16F877 de Microchip.

6.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS



Construir el prototipo con doce entradas digitales, tres entradas para señales análogas y dieciséis canales de salidas digitales.



Incorporar una fuente de alimentación en el PLC alimentada a 110v AC con salidas de 5 ,12 y 24 voltios DC.



Elaborar etapas para el acondicionamiento de voltaje de entrada y etapas de salida de potencia mediante el uso de opto acopladores, transistores y relés.



Diseñar un sistema de comunicación que permita transmitir datos entre el PLC y el computador a través del puerto USB.



Determinar el estado de activación de las entradas y las salidas del controlador lógico programable.



Implementar la programación en lenguaje de escalera con la utilización del programa LDmicro.

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7. DISEÑO METODOLÓGICO La metodología seleccionada para el desarrollo de este proyecto es la estructura de descomposición del trabajo WBS (Word breakdown structure). En esta metodología, las actividades se clasifican y agrupan en forma jerárquica y descendente, permitiéndole dar forma y cuerpo al proyecto. El diagrama de esta metodología se presenta en la figura 20. Figura 20. Diseño Metodológico del Proyecto

Proyecto

Fase Actividad Tarea

FASE 1 : RECOLECCION DE INFORMACIÓN 

Actividad: Realizar la búsqueda de material bibliográfico en libros, y publicaciones en Internet.



Tarea 1: Adquirir información detallada del funcionamiento de un PLC, aplicaciones y modo de operación en procesos industriales



Tarea 2: Buscar información acerca de los lenguajes de programación que se utilizan en un PLC.



Tarea 3: Obtener PIC información microcontroladores 16F877. de las características que posee el 52


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FASE 2: COMPROBACIÓN PROGRAMA LDMICRO

DEL

FUNCIONAMIENTO

DEL



Actividad: Desarrollar programas y probar el respectivo funcionamiento.



Tarea 1: Escribir el códigode algunas aplicaciones y simular la lógica en el LDmicro.



Tarea 2 Programar el PIC 16F877 para probar el funcionamiento del programa. FASE 3: DISEÑO DEL PLC Y ADQUISICION DE MATERIALES



Actividad: Realizar el diseño completo del PLC para poder determinar la cantidad de los componentes.



Tarea1: Diseñar la fuente de alimentación.



Tarea 2: Elaborar la etapa de protección para las entradas y las respectivas etapas de potencia



Tarea 3: Organizar el esquema de visualización del estado de activación y desactivación de las entradas y las salidas.



Tarea 4: Estructurar el sistema de comunicación entre el PC y el PLC atreves del puerto USB con el circuito integrado FT232RL.



Tarea 5: Una vez concluido el diseño, se procede con la compra de los componentes y se prosigue a realizar el montaje en una protoboard para probar el funcionamiento antes de realizar los circuitos impresos con los diseños finales. Probado el funcionamiento en la protoboard se continúa con el montaje de los materiales en los circuitos impresos y se realizan pruebas para descartar errores.

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8. DESARROLLO DEL TRABAJO

8.1 ESTRUCTURA DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE La figura 21, muestra la estructura interna del controlador lógico programable construido en el presente proyecto. Las líneas rojas representan la distribución de voltaje entregado por la fuente de alimentación, las líneas azules indican la dirección de la información desde y hacia la tarjeta principal. Figura 21. Estructura del controlador lógico programable

TARJETAS DE SALIDA DE

POTENCIA

TARJETA DE COMUNICACIÓN

FUENTE DE VOLTAJE

TARJETA PRINCIPAL

TARJETA DE PROGRAMACIÓN

TARJETAS DE ACONDICIONAMIENTO DE VOLTAJE DE ENTRADA

8.1.1 Funciones de las tarjetas del PLC. En la figura 21, se observa que el PLC está formado por seis tarjetas, que se encargan de realizar tareas específicas dentro del sistema. A continuación se describe la función de cada tarjeta. 8.1.1.1 Tarjeta principal: la tarjeta principal es la encargada de recibir las señales de entrada provenientes de la tarjeta de acondicionamiento de voltaje y de las entradas por el canal analógico, realizar el procesamiento, enviar las señales para la activación de las salidas a la tarjeta de potencia a relés y 54


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enviar y recibir los datos por los pines de transmisión Rx y Tx. para la comunicación con el PC. 8.1.1.2 Tarjetas acondicionamiento dede voltaje dedeentrada: tarjeta es la encargada de de recibir los distintos niveles voltaje entrada,esta acondicionar el voltaje y entregar a la tarjeta principal un voltaje adecuado para el microcontrolador. 8.1.1.3 Tarjetas de salida de potencia: la tarjeta de salida de potencia, recibe las señales de activación para cada salida de la tarjeta principal, activando con esta orden la salida correspondiente. Un selector de voltaje permite elegir el nivel de voltaje al cual trabajara la tarjeta de salida, el voltaje puede ser de 5 voltios, 12 voltios o 24 voltios. 8.1.1.4 Tarjeta de programación: Esta tarjeta es la encargada de realizar la programación del microcontrolador Pic 16F877 y de elegir el estado del PLC. Los estados del PLC son tres RUN, STOP y PROGRAMACIÓN, estos estados son seleccionados con el posicionamiento de un interruptor que conecta y desconecta la alimentación de la tarjeta principal al voltaje de la fuente o al voltaje del programador. 8.1.1.5 Tarjeta de comunicación: Estable la comunicación del PLC con el PC a través del puerto USB, para ello se realiza una conexión con la tarjeta principal en los pines Tx. y Rx del microcontrolador PIC 16F877. Permite transmitir datos de forma bidireccional desde el PC al PLC y desde el PLC al PC 8.1.1.6 Fuente de voltaje: proporciona el voltaje a las distintas tarjetas que conforman el PLC, y el voltaje de referencia para conectar componentes o circuitos de aplicación externos al controlador lógico programable.

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8.1.2 Diagrama de flujo general del uso del PLC. Para utilizar el PLC de forma correcta, debe procederse como se describe en el diagrama de flujo de la figura 22. Figura 22. Diagrama de flujo general del uso del PLC Ejecutar el programa LDmicro Escribir el código del programa

Compilar el programa creado, para generar el fichero .Hex

Apagar el PLC, colocando en OFF, el interruptor de encendido y apagado

Posicionar el selector de modo en PROG

Conectar el cable de programación del PLC al puerto USB del computador

Ejecutar la ventana de aplicación del Pic Kit 2

Cerrar la ventana de aplicación del Pic Kit 2

Desconectar el cable de programación del PLC, conectado al puerto USB del PC

Importar el fichero .Hex creado, y programar el PLC

Posicionar el selector de modo en RUN Encender el PLC, colocando en ON el interruptor de encendido y apagado

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8.2 DISEÑO Y FABRICACIÓN DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS Las distintas partes que conforman el controlador lógico programable del proyecto tales como: la unidad de procesamiento central, la fuente de voltaje, las tarjetas acondicionamiento para voltajes de entrada, y las tarjetas de salida de potencia a relés, han sido elaboradas utilizando Proteus, con la herramienta de diseño electrónico ISIS, para el procesamiento y previa obtención de los esquemáticos en pcb del circuito impreso se utilizó la herramienta ARES. 8.2.1 Fuente de voltaje. Para la fuente de alimentación se utilizó un transformador que genera voltajes comprendidos entre 5, 12 y 24 voltios AC, los cuales pasan por un proceso rectificado utilizando para ello un puente rectificador de 3A para cada voltajedeespecificado. Para eliminar los picos no deseados, la señal rectificada se filtra utilizando condensadores electrolíticos de 2200uF y condensadores cerámicos de 100nF conectados en paralelo, posteriormente se envía la señal filtrada al regulador correspondiente. Para obtener los 5V DC necesarios para la alimentación, se utiliza el regulador de voltaje paralosconseguir 12V DC, el regulador de 7824. voltaje 7812 y para7805, alcanzar 24V DC, los se trabajó conseel usó regulador de voltaje Las señales reguladas pasan por un último proceso de filtrado, utilizando un condensador cerámico de 100nF, conectado en paralelo con un condensador electrolítico de 100uF. Para cada salida mencionada anteriormente (5, 12 y 24 voltios DC), se realizo la conexión en paralelo de estos condensadores. La figura 23 muestra el diseño de la fuente de voltaje.

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Figura 23. Diseño de la fuente de Voltaje

Figura 24. Disposición de los componentes sobre la tarjeta de la fuente de Voltaje

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Figura 25. Circuito impreso de la tarjeta de la fuente de Voltaje

Tabla 1. Componentes de la tarjeta de la fuente de Voltaje

Componentes

Cantidad

Puente diodo

3

Regulador de voltaje LM 7805

1


1


1

Condensador electrolítico 2200 uF de 25 V Condensador electrolítico 2200 uF de 50 V

2

Condensador electrolítico de 100 uF de 25V Condensador electrolítico de 100 uF de 50V Condensador cerámico de 100 nF de 25V

2

Conector de un bloque

4

Conector de dos bloques

3

Transformador 5V,12V, 24V ACde 110 V AC a

1

1

1 6

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8.2.2 Tarjetas de acondicionamiento para voltajes de entrada. El diseño de las tarjetas para el acondicionamiento de voltaje de entrada, permite trabajar con voltajes de 24, 12 y 5 voltios. La limitación de cada voltaje está establecida por resistencias de 50k, 20k, y 220 ohm en conexión de divisor de voltaje con una resistencia de 10k conectada a la entrada del opto acoplador 4n25/4n35 y a tierra, lo que permite entregar al opto acoplador un voltaje adecuado para su activación. El opto acoplador se encarga de aislar los pines de la tarjeta de control y enviar un voltaje a la base del transistor 2n222, lo que produce la polarización y la entrega de un voltaje de 5 voltios a través del emisor del transistor. La figura 26 muestra el diseño general para el acondicionamiento la entrada de voltaje. Figura 26. Diseño general para el acondicionamiento del voltaje de entrada

La tarjeta de acondicionamiento del puerto C va a utilizar únicamente 6 pines, del RC0, al RC5, debido a que RC6 y RC7 están destinados únicamente para transmisión y recepción de datos, por lo tanto la tarjeta tendrá 6 pines de entrada y 6 pines de salida, la tarjeta para el puerto A es de 6 pines de entrada y 6 pines de salida.

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En cada pin de entrada se puede trabajar con uno de los tres voltajes mencionados anteriormente (24, 12 y 5 voltios), entregando voltajes de salida a un nivel de cinco voltios en cada pin del microcontrolador. Figura 27. Circuito impreso de la tarjeta de acondicionamiento de voltaje de entrada.

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Figura 28. Disposición de los componentes acondicionamiento de voltaje de entrada.

en

la

tarjeta

de

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Tabla 2. Componentes de la tarjeta de acondicionamiento de voltaje de entrada.

Componentes

Cantidad

Opto acoplador 4n35

6

Transistor 2n2222 pnp

6

Resistencia de 50K de ½ W

6


6


18

Resistencia de 220Ω de ½ W

6

Conector de bloques de 3 pines

6

Terminal de un pin

2

Conector de 34 pines

1

Base de seis pines

6

8.2.3 Tarjetas de salida de potencia a relés. El diseño de las tarjetas de salida de potencia, permite entregar en cada salida un voltaje de 24, 12 o 5 voltios, dependiendo del posicionamiento de un selector de voltaje conectado al pin común de los relés que conforman la tarjeta. La tarjeta está formada por opto acopladores que reciben las señales provenientes de la tarjeta principal. Transistores 2n2222 que activan las bobinas de los relés correspondientes a cada salida. Diodos conectados a las bobinas de los relés, utilizados como elementos de protección de señales de retorno. Un selector de voltaje conectado al común de cada relé, que permite elegir qué tipo de voltaje se establecerá en los pines de salida, y conectores para las entradas y las salidas. La figura 29 muestra el diseño general para la salida de potencia a relé.

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Figura 29. Diseño general para la salida de potencia a relé

Figura 30. Circuito impreso de la tarjeta de salida de potencia a relé

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Figura 31. Disposición de los componentes en la tarjeta de salida de potencia a relé

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Tabla 3. Componentes de la tarjeta salida de potencia a relé

Componentes

Cantidad

Opto acoplador 4n35/25

8

Transistor 2n2222 pnp

8


24

Resistencia de 220Ω de ½ W

8

Conector de bloques de x pines Terminal de un pin

7


1

Relé de pines a 5 voltios

8

Base de seis pines

8

8.2.4 Tarjeta de programación. La tarjeta de programación está diseñada, para permitir que el microcontrolador se conecte y establezca comunicación con el programador Pic Kit ™ 2 , para poder realizar la programación serial en el circuito de aplicación. El diseño de la tarjeta para la programación, está establecido para entregar los voltajes de programación, que se obtienen directamente del programador a través de los pines MCLR, PGC y PGD y VDD, al microcontrolador. De la misma forma permite proteger al programador, de voltajes en sus terminales una vez se ha realizado la programación. Esta tarjeta, tiene un interruptor que es utilizado para establecer el modo de trabajo del controlador lógico programable. Con este se puede seleccionar tres estados diferentes que son: RUN, STOP y PROGRAMACIÓN. En el estado RUN, es entregado el voltaje de la fuente a la tarjeta principal. En modo STOP, se desconecta la alimentación de voltaje a la tarjeta principal. En modo PROGRAMACIÓN, se abre la conexión de la fuente de alimentación a la tarjeta principal, y se conecta la alimentación de la tarjeta principal con el voltaje proporcionado por el programador. 66


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Figura 32. Disposición de los componentes en la tarjeta de programación

Figura 33. Circuito esquemático de la tarjeta de programación

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Tabla 4. Componentes de la tarjeta de programación

Componentes

Cantidad

Relé de pines a 5 voltios - 1 amperio

3

Interruptor de tres estados

1

Conector de 6 pines

1

Terminal de conexión

4

Diodo 1N4007

3

8.2.5 Tarjeta de comunicación. Para establecer la comunicación entre el PLC y el computador, se utilizó la tarjeta para interfaz USB-Serial (USB-UART) FT232, que permite realizar interfaz entre el protocolo USB y el serial, utilizando el integrado FT232RL. La tarjeta interfaz FT232RL, posee un conector mini USB para la conexión con el PC o con otros sistemas con USB. Se alimenta a través del puerto USB. Ofrece un completo manejo del protocolo USB. Posee un voltaje de comunicación seleccionable de 3.3V o 5V. La tarjeta se puede observar en la figura 34. Figura 34. Tarjeta para interfaz USB-Serial FT232 RL

Fuente : http://www.didacticaselectronicas.com/index.php?page=shop.product_d etails&flypage=flypage.tpl&product_id=270&category_id=42&option=com_virtue mart&Itemid=6 68


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8.2.6 Tarjeta principal. La tarjeta principal es la unidad central del PLC. Está diseñada para recibir las señales de las tarjetas de acondicionamiento de voltaje, los voltajes de programación, el voltaje de alimentación para la selección salidas. del modo de trabajo, y entregar los voltajes para la activación de las Esta tarjeta, está formada por el microcontrolador PIC 16F877, Leds en cada pin de entrada y salida para indicar el estado del pin, regletas de pines para conectar las demás tarjetas, un cristal de 4Mhz, dos condensadores, resistencias y terminales de pines individuales. La figura 35 muestra en circuito impreso de la tarjeta principal.

Figura 35. Circuito impreso de la tarjeta principal

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Figura 36. Circuito esquemático de la tarjeta principal

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Figura 37. Disposición de los componentes sobre la tarjeta principal

Tabla 5. Componentes de la tarjeta principal

Componentes

Cantidad

Microcontrolador Pic 16f877

1

Diodo led color verde

16

Diodo led color amarillo Resistencia de 10 KΩ

12 1

Resistencia de 220 Ohm

2

Cristal de 4Mhz

1

Condensadores de 22 pF

2


5 71


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9. PRUEBAS Y RESULTADOS Etapa de alimentación de voltaje La evaluación del funcionamiento de la fuente de alimentación del sistema, fue realizada midiendo los distintos voltajes que se debe entregar a cada etapa por separado. Seguido a esto se conectaron las otras etapas con los respectivos voltajes entregados por la fuente. Se probó de esta manera que se generan correctamente los voltajes estipulados para el PLC. La tabla 6. Muestra los niveles de voltaje de la fuente de alimentación. Tabla 6. Resultados de la medición de los voltajes en la fuente de alimentación el PLC Voltaje Teórico

Voltaje real

5V

4.9V

12V

11.8V

24V

24.3V

Como se puede observar en la tabla 6, los niveles de voltaje medidos, de la fuenteesperados. de alimentación del sistema, están cercanos a los voltajes teóricos Etapa de entrada Energizando cada entrada con la restricción de voltaje establecido, utilizando los terminales de voltaje de referencia del PLC, se comprobó que el nivel de voltaje es el adecuado para activar cada uno de los opto acopladores de las dos etapas de entrada. La tabla 7, muestra el nivel de voltaje entregado a cada opto acoplador. Tabla7. Resultado de la medición de voltaje entregado a los opto acopladores de las etapas de entrada Voltaje de entrada según restricción

Voltaje teórico que debe ser entregado al opto acoplador

Voltaje real entregado al optoacoplador

4.9V

4.8V

4.6V

11.8V

3.9V

3.8V

24.3V

4.05V

3.9V

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Los opto acopladores utilizados en las etapas de entrada, necesitan un mínimo de voltaje de 3 voltios DC para activar su salida. Como se observa en la tabla 7, con las restricciones de voltaje para cada entrada, se proporciona cada opto garantizando acoplador un de nivel voltaje esta por arriba del voltajea requerido, estadeforma la que activación de la salida de cada uno de ellos. Se realizó la medición del voltaje que es entregado a la unidad central del PLC (el microcontrolador PIC 16F877), por parte de cada tarjeta de entrada. La tabla 8, muestra el resultado de la medición de los voltajes entregados a cada pin de entrada de la tarjeta principal. Tabla 8. Resultado de la medición de los voltajes entregados en los pines de entrada de la tarjeta principal Pin de entrada de la tarjeta principal

Voltaje entregado por la etapa de entrada

RA0

4.6V

RA1

4.6V

RA2

4.6V

RA3

4.6V

RA4 RA5

4.6V 4.6V

RC0

4.6V

RC1

4.6V

RC2

4.6V

RC3

4.6V

RC4

4.6V

RC5

4.6V

Se puede observar en la tabla 8, que el nivel de voltaje entregado a cada pin de entrada del microcontrolador PIC 16F877, se encuentra en un rango aceptable. Para evaluar el funcionamiento del conversor análogo a digital, se programó el PLC, con el programa que se muestra en la figura 38.

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Figura 38. Programa para el conversor

El programa permite realizar la lectura de un voltaje conectado al pin RE0 del PLC. El voltaje adquirido es comparado con un valor digital, utilizando una instrucción de comparación. La instrucción de comparación utilizada es la instrucción “menor que”. La condición de comparación indica que si la lectura del conversor es menor de 1 voltio representado en el programa con el numero 203, el terminal de salida RD7, es activado. Para probar el funcionamiento se conecto al terminal de RE0, una entrada de 0 voltios, dando como resultado la activación del terminal de salida RD7. Etapa de salida Los selectores de voltaje del PLC, tienen cinco posiciones. En cada posición del voltaje selector, los terminales al ser deben entregar un diferente, excepto de en salida la primera y laactivados última posición donde el voltaje debe ser el mismo. Los voltajes que se deben entregar en cada terminal de salida del PLC son 0, 5, 12 y 24 voltios, dependiendo de la posición del selector de voltaje de cada puerto de salida. La tabla 9, muestra las mediciones realizadas en los terminales de salida del PLC.

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Tabla 9. Resultado de la medición de voltaje en los terminales de salida del PLC Posición del selector

Voltaje esperado

Voltaje real

1

0V

0V

2

5V

4.89V

3

12V

11.67V

4

24V

24.1V

5

0V

0V

En la tabla 9, se puede observar que el nivel de voltaje real para cada posición del selector es bastante aproximado al voltaje esperado. Para evaluar el funcionamiento del PLC, se realizó un circuito de aplicación. El circuito está formado por cinco relés y cinco bombillos. Cuando un relé, recibe un voltaje mayor o igual a cinco voltios, energiza su bobina conmutando internamente su salida para encender un bombillo conectado a la red eléctrica. El circuito de aplicación se muestra en la figura 39. Figura 39. Circuito de aplicación

El programa elaborado para probar el funcionamiento del PLC, es el que se muestra en la figura 40.

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Figura 40. Programa de aplicación.

El programa consiste en encender una salida cada 3 segundos. En esta aplicación no es necesario energizar las entradas del PLC, debido a que se programó un circuito cerrado para la activación de cada salida. Este programa permite del funcionamiento el tiempo de respuesta del evaluar PLC, y además compararlo con el tiempo del de PLC, respuesta del simulador del LDmicro. La tabla 10, muestra los tiempos de respuesta obtenidos con un cronómetro, tanto en el simulador como en el PLC para activar cada salida.

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Tabla 10. Tiempos de respuesta en el simulador y en el PLC Tiempo

Tiempo en el Simulador LDmicro

Programado (S)

T1

T2

3

5.29

5.17

6

9.78

9.8

9

14.49 14.48 14.67 14.54666667 8.95 9.32 9.4 9.223333333 19.14 19.13 19.38 19.21666667 11.94 12.31 12.42 12.22333333 23.9 23,8 23.85 23.95 14.98 15.34 15.39 15.23666667

12 15

(s) T3

Promedio

T1

5.21 5.223333333 3.04 9.84 9.94 5.96

Tiempo Real PLC (s) T2 T3 Promedio 3.41

3.45

3.3

6.33

6.38

6.223333333

Cuando se realiza la simulación del programa en el LDmicro, los tiempos de activación de las salidas mostrados en la ventana de configuración de los pines muestran un tiempo cercano al tiempo deseado, como se puede observar en la figura 41. Figura 41. Tiempos de activación en la ventana de configuración de pines

Sin embargo, cuando los tiempos de simulación son tomados con un cronómetro, se tienen los datos que se observan en la tabla 10. Aunque los tiempos de simulación medidos con el cronometro, están alejados de los tiempos programados, el tiempo de respuesta para encender cada bombillo con el PLC es muy cercano al tiempo programado.

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Tarjeta de programación Para verificar el funcionamiento de la tarjeta de programación, se programó el PLC, con el programa mostrado en la figura 40. Como el circuito del selector de modo, se encuentra en la tarjeta de programación, se probaron los tres modos de trabajo del PLC, RUN, STOP y PROG, dando los siguientes resultados: 

En modo STOP y RUN no fue posible cargar el programa al PLC.



En modo PROG el programa fue cargado sin ningún inconveniente.



En modo STOP, el voltaje a la tarjeta principal se desconecta, y ninguna salida en el PLC es activada.



En modo RUN, el voltaje del programador se desconecta de la tarjeta principal y se conecta el voltaje de la fuente de alimentación, permitiendo de esta forma la ejecución normal del programa.

Tarjeta de comunicación La comunicación por el puerto USB, fue puesta a prueba utilizando hyper terminal y un programa cargado al PLC para transmitir un dato, dando como resultado que el proceso de comunicación se lleva a cabo sin ningún inconveniente ni perdida de información durante el proceso de transmisión. El programa con el que se probó la transmisión puede observarse en la figura 42. Figura 42. Programa para la transmisión de datos

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El programa realizado, permite al PLC enviar el dato “CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE” al computador cada segundo, a través del puerto USB del PC. En la figura 43, se observa el dato que se obtiene utilizando el programa hyper terminal. Figura 43. Dato obtenido por hyper terminal

Tarjeta de control principal La evaluación del funcionamiento de la tarjeta de control principal, se realizó programando el PLC con algunos programas de aplicación, como los mostrados en las figuras 38, 40 y 42. Observando el tiempo de respuesta para cada programa ejecutado, se verificó que el manejo de las señales de voltaje por medio de latareas tarjetadeprincipal presenta errores a la hora de realizar control.es adecuado y no

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10. CONCLUSIONES

Se desarrolló un controlador lógico para el laboratorio de ingeniería electrónica de laprogramable universidad (PLC) del Magdalena, que puede ser utilizado para llevar a cabo trabajos de control automático, por parte de los estudiantes en diferentes materias como lo son microcontroladores, control, sistemas digitales, automatización industrial y robótica, ayudando de esta manera a los estudiantes desarrollar habilidades en la utilización y programación de controladores lógico programables. La utilización del prototipo presenta poca complejidad, la demarcación de las entradas, las salidas, el puerto de comunicación y de programación así como los Leds de estado, hacen que la tarea de utilización del PLC sea sencilla, sin ningún inconveniente para los estudiantes del programa. Los costos de fabricación del controlador lógico programable desarrollado en presente proyecto, son reducidos. Los materiales utilizados para su diseño, pueden ser adquiridos fácilmente en cualquier tienda electrónica, lo que permite que cualquier evento inesperado que cause el daño ladeparte algún componente del PLC pueda ser solucionado reemplazando afectada. Con el sistema de comunicación utilizado, se puede realizar el intercambio de información entre el PLC y el computador por el puerto USB de manera sencilla, sin pérdida de información, lo que permite que se realicen programas de control en donde el PLC podría ser controlado directamente desde un computador, o comunicarse con cualquier otro componente electrónico que soporte este tipo de comunicación. Los modos de funcionamiento o de estado implementados para el controlador lógico programable son tres, modo RUN, STOP y PROG, la selección de cada uno se realiza con el paso de posición de un interruptor, permitiendo un control manual de cualquier clase de programa en ejecución.

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El software para la programación en lenguaje de escalera, llamado LDmicro, es un programa libre, no necesita ser instalado debido a que es un ejecutable, puede ser adquirido gratuitamente en la web, posee un entorno deayuda programación amigable para el usuario, la opción de brindando la información necesariacontiene para la además utilización del conjunto de instrucciones que este posee. El programador utilizado, brinda la posibilidad de realizar los programas en cualquier tipo de software que permita programar microcontroladores de la familia de Microchip, lo que hace que el PLC sea abierto en cuanto a lenguajes de programación, permitiendo a los estudiantes desarrollar programas de control bajo el entorno de programación que más les convenga y manejen mejor Cada entrada de voltaje puede ser activada con tres voltajes diferentes de 5, 12 y 24 voltios. La etapa de protección permite que no se presenten problemas cuando se trabaja con el rango de voltaje permitido para cada entrada, por ello es necesario tener presente el nivel de voltaje de entrada cuando se realicen aplicaciones de control. Para utilizar el conversor del PLC, es necesario tener presente la elaboración previa de un circuito protección. La conexión directa de los terminales del conversor del de controlador lógico programable a los pines del microcontrolador, permite realizar todo tipo de aplicación de conversión teniendo presente que el voltaje máximo de entrada en cada terminal no debe ser superado.

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11. RECOMENDACIONES

La comunicación del PLC con el computador sido compuesta establecida por utilizando una tarjeta interfaz USB-Serial (USB-UART), quehaestá el circuito integrado FT232 RL , lo que limita la comunicación de datos desde y hacia el controlador lógico programable a una distancia relativamente corta con el computador. Es posible aumentar la distancia de comunicación implementando comunicación inalámbrica con el uso de la tecnología Zigbee y tarjetas Xbee que poseen un alcance con línea de vista de hasta 100 metros, de esta forma podría realizarse aplicaciones de mayor cobertura. Para la elaboración del programa y la programación del PLC, se utilizan dos aplicaciones diferentes, el LDmicro y la ventana de programación del Pic Kit 2, como tal no existe una interfaz de usuario para el PLC que permita ejecutar estas aplicaciones en una sola ventana. Sería conveniente la realización de una interfaz de usuario que permita que estos dos programas sean ejecutados a través de botones de selección dentro de la aplicación, y que pueda realizar eventos de comunicación entre el controlador y el computador para la trasmisión y recepción de datos. El controlador lógico programable cuenta con tres entradas para realizar la conversión de señales de análogo a digital, pero no posee un módulo para la conversión digital a análogo. Es recomendable incluir en el PLC una etapa de conversión de señales digitales a analógicas, lo que permitiría la realización de un mayor número de proyectos de laboratorio.

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12. PRESUPUESTO

12.1 RECURSO HUMANO Tabla 11. Recurso humano

Personal

Formación Académica

Función dentro del proyecto

Dedicación Horas semanales

Valor Costo por hora $

Total

Juan Gabriel Gonzales David Ricardo

Desarrollador

70

0

0

Bayona YanonisRojas Joel Hernández Ríos

Desarrollador

70

0

0

Director

0 0

Costo total de recursos humanos requeridos a la semana Costo total de recursos humanos requeridos para el proyecto

12.2 RECURSOS INSTITUCIONALES Tabla 12. Recursos institucionales Equipo

Número de equipos

Uso Horas proyecto

Valor Costo por hora

1 1 1

75 43 18

0 0 0

Fuente regulada variable Punta lógica Osciloscopio digital

Costo total del equipo requerido durante el proyecto

Total

0 0 0 0

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12.3 RECURSOS ADICIONALES Tabla 13. Recursos adicionales Recursos

Justificación

Estructura del PLC Impresiones Programador de microcontrolador es

Total

Estructura de soporte

45.000

Impresión del proyecto

20.000

Utilizado para la programación de los microcontroladores

160.000

Microcontroladores,Leds,opto acopladores, Hardware

protoboard, tarjetas para circuitos impresos de diodos, optoacopladores, de Puente transistores, transformador, resistencias, relés

Sistema potencia

Costo total de servicios usados durante el proyecto

170.000 130.000 525.000

12.4 COSTO TOTAL DEL PROYECTO Tabla 14. Costo total del proyecto Concepto

Total

Recursos humanos

0

Recursos institucionales

0

Recursos adicionales

525.000

Costo total del proyecto

525.000

Costo del PLC

505.000

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BIBLIOGRAFÍA

[1]. Módulo de de Procesos PrácticasIndustriales de Laboratorio la CeldadeldeMagdalena, Manufactura Laboratorio de la para Universidad de del los ingenieros Elkin Manuel Rondón Peralta, Carlos Mario Calderón Medina, Tesis de grado Universidad del Magdalena 2010. [2]. Mecatronica, Sistemas de Control Electrónico en la Ingeniería Mecánica y Electricidad, W Bolton, 3ª Edición Editorial Alfaomega. [3]. MICROCONTROADORES PIC, Diseño Practico de Aplicaciones, de José María Angulo Usategui- Susana Romero Yesa-Ignacio Angulo Martínez, 2ª Edición. Editorial McGraw Hill.

[4] MICROCONTROLADORES PIC. Diseño practico de aplicaciones, de José María Angulo Usategui- Susana Romero Yesa-Ignacio Angulo Martínez, 4ª Edición. Editorial McGraw Hill. [5] ELECTRONICA INDUSTRIAL MODERNA, de Timothy J. Maloney, quinta edición. Editorial Prentice Hall. [6] Compilador C CCS y Simulador PROTEUS para Microcontroladores PIC, de Eduardo García Breijo 2008. Editorial MARCOMBO, EDICIONES TÉCNICAS 2008, MARCOMBO, S.A.

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WEBGRAFÍA

1) http://inicia.es/de/juanmarod/main.htm 2) http://www.google.com.co/#hl=es419&q=dise%C3%B1o+de+un+controla dor+logico+programable+orientado+a+la+agroindustria&oq=dise%C3%B 1o+de+un+controlador+logico+programable+orientado+a+la+agroindustr ia&aq=f&aqi=&aql=1&gs_sm=e&gs_upl=22063l74235l0l74547l163l105l6 l58l62l9l297l6122l0.26.9l39l0&fp=f9efce9d897393c8&biw=1280&bih=63 2 3)

www.cq.cx/ladder.pl

4) www.judavi.com/blog/wpcontent/uploads/2010/08/NTC1486_Norma_ICONTEC_Trabajos_de_Gr ado.pdf 5) www.microchip.com/pickit2 6) http://www.google.com.co/#hl=esz419&sa=X&ei=xsU5ToqcJdCatweDws 3yAg&ved=0CBUQBSgA&q=manual+de+usuario+del+pickit2&spell=1&f p=f9efce9d897393c8&biw=1280&bih=632

7) http://www.google.com.co/#hl=es419&source=hp&q=estructura+de+desc omposici%C3%B3n+del+trabajo&oq=estructura+de+desc&aq=0&aqi=g7 &aql=1&gs_sm=e&gs_upl=1750l10937l0l13000l18l18l0l6l6l0l391l2890l0. 1.6.3l10l0&fp=f9efce9d897393c8&biw=1280&bih=632 8) http://www.ftdichip.com 9) http://www.ftdichip.com/Products/ICs/FT232R.htm

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ANEXOS

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ANEXO A. PROGRAMA DE APLICACIÓN

DEL PIC KIT ™ 2

A1. INSTALACIÓN DEL PROGRAMA DE APLICACIÓN Se puede instalar el programa de aplicación del Pic Kit ™ 2 de dos maneras distintas, la primera manera es por medio de la ventana que se abre cuando se introduzca el CD del programador, la segunda forma es copiar el contenido del CD del programador en el computador.

Forma 1: 1. Introducir el CD del programador. A continuación se abre la ventana que se muestra en la figura 44, en donde se debe seleccionar el tipo de Kit que se instalara en el computador

Figura 44. Venta de selección del Kit para la instalación del Pic Kit 2

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2. Seleccionar Starter Kit de las tres opciones que se encuentran en la parte izquierda de la ventana, seguidamente se abre la ventana que se muestra en la figura 45 para iniciar la instalación del software. Figura 45 . Venta de instalación del Pic Kit ™ 2

3. Conectar el programador al puerto USB del computador. 4. Seleccionar la opción Installs de la lista de opciones que se muestran en la figura 45. Una vez seleccionada esta opción se prosigue con el proceso de instalación normal. Forma 2: 1. Introducir el CD del programador. 89


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2. De las carpetas que se encuentran en el CD seleccionar la carpeta install. 3. Copiar la carpeta PIC Kit 2 4. Pegar la carpeta PIC Kit 2 en el computador. 5. De la carpeta PIC Kit 2, ejecutar el programa de instalación Setup.exe, y seguir con el proceso de instalación normal. A 2. VENTANA DE PROGRAMACION DEL PIC KIT ™ 2

La ventana de programación permite programar los microcontroladores y las memorias EEprom soportados por el programador. La interface de programación mostrada en la figura 46 es la ventana que se visualiza cuando el programador no está conectado al puerto USB. Figura 46 . Interface de programación del Pic Kit ™ 2

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La barra de menú está compuesta de las siguientes opciones: 1. File (archivo). La opción File despliega un ventana de selección con el siguiente contenido: Import Hex: importa un archivo con extensión .Hex, soporta un archivo con formato INHX32. Export Hex: exporta el archivo .Hex leído del microcontrolador, con una extensión INHX32. File History: muestra la dirección fuente de los últimos 4 archivos .Hex abiertos. Exit: permite salir del programa. Device Family (Familia del dispositivo). Selecciona una familia de dispositivos para buscar un dispositivo conectado de esa familia. Programmer (programador). Esta opción de menú despliega una tabla de selección con el siguiente contenido: 

Read Device: lee la memoria de programa, la memoria EEprom de datos, las locaciones ID y los bits de configuración.



Write Device (programar dispositivo): escribe la memoria de programa, la memoria EEprom de datos, las locaciones ID y los bits de configuración.



Verify (verificar): verifica la memoria de programa, la memoria EEprom de datos, locaciones ID y los bits de configuración leídos desde el MCU comparado a los códigos guardados en el programa de aplicación.

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

Erase (borrar): realiza un borrado general del microcontrolador seleccionado.



Blank check (cheque de blanco): realiza un chequeo para ver si la memoria de programa, la memoria EEprom, los bits de configuración y las locaciones de ID están en blanco.



Verify on Write (verificación en la escritura): verifica el dispositivo después de que es programado.



Hold Device in reset (mantener el dispositivo en reset): cuando se selecciona esta opción el pin MCLR, es mantenido a un nivel bajo., cuando no se selecciona el pin es liberado, permitiendo que una resistencia pull-up saque el dispositivo del estado de reset.

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ANEXO B INTERFAZ DE PROGRAMACIÓN DEL LDMICRO B1. VENTANA DE PROGRAMACIÓN Al ejecutar LDmicro se muestra la interfaz de programación sin escalones, con un peldaño inicial, como se observa en la figura 47.

Figura 47. Interfaz de programación del LDmicro

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La interfaz de programación mostrada en la figura 47 está formada por las siguientes partes: Encabezado de programa. Barra de menú principal. Ventana de programación

Ventana de asignación de pines Ventana de estado de configuración. B2. ENCABEZADO DEL PROGRAMA El encabezado del programa contiene el nombre de la aplicación LDmicro seguido del nombre y la dirección del programa guardado con una extensión .ld B3. BARRA DE MENU PRINCIPAL En la barra de menú principal se encuentran las distintas opciones que permiten crear los programas. Está conformada de la siguiente manera: Archivo. al seleccionar la opción archivo se abre la lista desplegable que observa en la figura 48. Figura 48. Lista desplegable del menú archivo

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

Nuevo: crea una nueva interfaz de programación, con la opción de guardar el programa realizado en la interfaz anterior. Una vez seleccionado y guardo el programa anterior, se cierra y aparece la interfaz en blanco.



Abrir: permite abrir un programa guardado con una extensión .ld



Guardar, Guardar como: guarda el programa creado con una extensión .ld



Exportar a Texto: permite exportar y guardar el programa creado con una extensión .txt, el texto contiene el microcontrolador seleccionado, el diagrama ladder y las configuraciones de entradas y salidas establecidas.



Salir: al ejecutar esta opción se cierra la interfaz de programación. Editar. La opción de menú editar abre la lista desplegable que se observa en la figura 49.

Figura 49. Lista desplegable del menú Editar

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

Deshacer: borra el último procedimiento realizado en la ventana de programación.



Rehacer: reescribe el último procedimiento borrado en la ventana de programación.



Insertar Línea (Rung) Antes: inserta una línea de programación arriba de la línea que se encuentra seleccionada.



Insertar Después: inserta una línea de programación debajo deLínea la línea(Rung) seleccionada.



Subir Línea (Rung) Seleccionada: desplaza una línea de programa completa seleccionada una línea arriba.



Bajar Línea (Rung) Seleccionada: baja la línea de programa seleccionada a la línea siguiente.



Borrar Elemento Seleccionado: borra el elemento seleccionado con el Cursor y deja los elementos en serie sin modificar.



Borrar Línea (Rung) Seleccionada: borra toda la línea de programa seleccionada.

Configuraciones. Esta opción permite elegir el tipo de microcontrolador con el que se trabajara, y establecer los parámetros del microcontrolador seleccionado. La figura 50 muestra la lista desplegable de esta opción de menú.

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Figura 50. Lista desplegable del menú de configuraciones



Parámetros del Microcontrolador: establece el tiempo de ciclo de instrucción en milisegundos, la frecuencia del cristal en mega hertz con el que trabajara el microcontrolador y la tasa de baudios. Estos parámetros están predefinidos con los parámetros de operación típicos para cada microcontrolador, pero puede realizarse cualquier modificación deseada. La figura 51 muestra la ventana de parámetros del microcontrolador.

Figura 51. Ventana de parámetros del microcontrolador

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

Microcontrolador: permite seleccionar el microcontrolador que se programara. La figura 52, muestra la lista de microcontroladores que se pueden elegir.

Figura 52. Lista de microcontroladores para programar con el LDmicro

Instrucción. La opción instrucción del menú contiene la lista de instrucciones necesarias para elaborar programas en la interfaz de programación del LDmicro. la figura 53 muestra la lista de instrucciones utilizadas en LDmicro.

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Figura 53. Lista de instrucciones del LDmicro

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Simular. Esta opción del menú permite probar el funcionamiento de la lógica programada mediante la simulación del programa realizado. La figura 54 muestra la lista desplegable al seleccionar simular de las opciones del menú.

Figura 54. Lista desplegable de la opción simular



Modo de Simulación: permite entrar y salir del modo de simulación, la ventana e instrucciones aparecen con un color diferente



Empezar Simulación en Tiempo Real: inicia la simulación del programa en tiempo real. Las entradas pueden activarse directamente haciendo doble clic en la figura de cada una, o haciendo doble clic en el nombre de la entrada deseada, en la ventana de configuración de pines.



Para Simulación: detiene la simulación del programa



Solo un Ciclo: ejecuta la simulación de un solo ciclo del programa Compilar. Permite compilar el programa realizado y guardarlo con una extensión .Hex, en una dirección especifica seleccionada.

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Ayuda. Contiene el manual de explicación de las instrucciones que contiene el LDmicro. B4. VENTANA DE PROGRAMACIÓN La ventana de programación es el espacio de la interfaz del LDmicro utilizada para realizar el programa en lenguaje de escalera. Al final de la venta se entra la instrucción END, indicando la terminación del programa.

B5. VENTANA DE ASIGNACIÓN DE PINES Esta ventana permite asignar los pines a los distintos parámetros utilizados en la escritura del programa en lenguaje de escalera. Para asignar pines, debe primero nombrarse cada parámetro del programa haciendo doble clic en cada uno, seguido a esto debe elegirse el tipo de microcontrolador con el que trabajara. La asignación se realiza haciendo doble clic en el nombre del parámetro que se encuentra en la ventana de asignación de pines., realizado lo anterior se abre una lista desplegable que contiene el numero del pin y el puerto que corresponde a cada pin en el microcontrolador, lo siguiente que se debe realizar es seleccionar el pin destinado para el parámetro y pulsar OK.

La figura 55 muestra la asignación de un pin a un parámetro del programa.

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Figura 55. Asignación de un pin a un parámetro del programa

B6. VENTANA DE ESTADO DE CONFIGURACIÓN

La ventana de estado de configuración se encuentra en la parte inferior de la interfaz del LDmicro. Muestra la configuración establecida, el microcontrolador seleccionado, el tiempo del ciclo de programa y el reloj del procesador seleccionado. La figura 56 muestra la venta de estado de configuración.

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Figura 56. Venta de estado de configuración del LDmicro

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ANEXO C CONTROLADOR LÓGICO PROGRABALE C1. DESCRIPCIÓN FISICA DEL PLC El controlador lógico programable cuenta con:

Doce que permiten trabajar con voltajes de 5, 12 y 24 voltiosentradas DC. Tres entradas para realizar conversiones análogas a digital, con una limitación de voltaje de entrada de 5 voltios máximo. Doce salidas que entregan tres niveles de voltaje 5, 12 y 24 DC, que puede ser seleccionador con el selector de voltaje correspondiente a cada salida. El interruptor de encendido y apagado del PLC El interruptor que permite seleccionar el modo de operación del PLC. Los modos de operación son tres: 

PROG



STOP



RUN

Doce diodos Leds de color amarillo, para determinar el estado de las entradas. Dieciséis diodos Leds de color verde, que determinan el estado de las salidas. Terminales de conexión de tierra, 5, 12 y 24 voltios DC para conexión externa. 104


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En la figura 57 se puede observar la distribución de los componentes en el PLC. Figura 57. Distribución de los componentes en el PLC

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C2. MODO DE PROGRAMACIÓN Entrar en modo de programación. Para entrar en modo de programación deben seguirse los siguientes pasos:



Posicionar en OFF el interruptor de encendido del PLC.



Conectar el cable de programación al puerto USB del computador.



Colocar en interruptor selector de modo, en PROG.



Ejecutar el programa de aplicación para el programador Pic Kit 2.



Cargar el programa.

Salir del modo de programación. Una vez se ha cargado el programa a la memoria del PLC, debe procederse de la siguiente manera:



Cerrar la ventana de programación



Colocar el interruptor selector de modo en RUN



Desconectar el cable del programación del puerto USB del computador



Encender el PLC, colocando en ON el interruptor de encendido. 106


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C3.SALIDAS DEL PLC

Selector de voltaje. El selector de voltaje, entrega a la salida de cada pin del puerto un voltaje que puede ser de 5, 12 o 24 voltios, dependiendo de la posición en la que este se encuentre. Para que una salida sea activada y entregue el voltaje seleccionado con el selector, debe cumplirse lo siguiente: 

El interruptor de encendido debe estar en ON.



El interruptor de selección de modo del PLC debe estar en RUN



El selector de voltaje debe estar posicionado en el voltaje requerido.

C4. ENTRADAS DEL PLC Entradas digitales. Cada entrada digital, tiene tres niveles de voltaje permitidos para trabajar con controlador. Para que entradas sean establecido leídas correctamente debeeltenerse en cuenta el las rango de voltaje para las entradas, y no salirse del rango permitido. Entradas análogas. El PLC cuentas con tres canales para entrada análoga, con una restricción de voltaje de entrada establecido de 5 voltios máximo. Es necesario cumplir con la restricción para evitar daños en la memoria del PLC el microcontrolador PIC 16F877. 107


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C5. VOLTAJES DE REFERENCIA

Los voltajes de referencia se encuentran ubicados en la parte inferior derecha de PLC, se utilizan para: Realizar pruebas de funcionamiento de programas. Servir como fuente de alimentación a circuitos de aplicación.

C6. MODO DE FUNCIONAMIENTO DEL PLC El PLC tiene tres modos de trabajo, establecidos por el posicionamiento de un interruptor. Cada modo de trabajo tiene una función diferente. Modo RUN: en este modo de trabajo, el programa almacenado en la memoria del PLC, es ejecutado. Es necesario que el interruptor de encendido se encuentre en ON. Modo STOP: con el selector de funcionamiento en modo STOP, las salidas no pueden ser activadas, y el PLC no puede ser programador, sin embargo los Leds de estado de las entradas pueden encenderse cuando a una entrada le es asignada un voltaje para su activación. Modo PROG: para cargar un nuevo programa a la memoria del PLC, es necesario posicionar el selector de modo, en modo PROG y en OFF en interruptor de encendido del PLC

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C7. COMUNICACIÓN USB Para establecer la comunicación del PLC con un computador a través del puerto USB, se utiliza la tarjeta FTDI conversor USB-serie (USB-UART). Para que el proceso de comunicación se realice sin pérdida de información, el computador debe tener instalado los drivers proporcionados por el fabricante, de esta forma podrá reconocer el circuito integrado FT232 RL, cuando se conecte el cable de comunicación al puerto USB del computador. Los drivers pueden ser descargados gratuitamente de enlace http://www.ftdichip.com/FTDrivers.htm, eligiendo el driver según el sistema operativo que posea el computador. C8. FOTOS DEL PLC En la figura 58, se puede observar la vista frontal del PLC. en esta foto se muestra el interruptor de encendido y apagado del PLC, así como el cable de conexión a la red eléctrica. Figura 58. Vista frontal del PLC

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En la figura 59, se puede observar la ubicación del cable de programacion y el de comunicación del PLC. Figura 59. Vista lateral izquierda del PLC

En la figura 60, se puede observar la ubicación de los componentes en el PLC. Figura 60. Vista Superior del PLC

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ANEXO D HOJA DE DATOS D1. CIRCUITO INTEGRADO FT232RL

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D2. OPTO ACOPLADOR 4N25/4N35

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D3. EL PIC 16F877

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Proyecto Plc

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