1) Los controladores lógicos programables o PLC's son dispositivos electrónicos ampliamente utilizados en la automatización industrial. La historia de los PLC se remonta a finales de la década de 1960, cuando la industria buscó una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relevadores, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional. El sistema basado en relevadores, tenía un tiempo de vida limitado y se necesitaba un sistema de mantenimiento muy estricto. El alambrado de muchos relevadores en un sistema muy grande era muy complicado; si había una falla, la detección del error era muy tediosa y lenta. La empresa Bedford Associates (Bedford, MA) propuso un sistema al que l lamó Modular Digital Controller o MODICON. El MODICON 084 fue el primer PLC producido comercialmente. Este nuevo controlador tenía que ser fácilmente programable, su vida útil tenía que ser larga y ser resistente a ambientes difíciles. Esto se logró con técnicas de programación conocidas y reemplazando los relevadores por elementos de estado sólido. Con este sistema, cuando la producción necesitaba variarse, sólo se tenía que variar el sistema. A mediados de los años 70, la AMD 2901 y 2903 eran muy populares entre los PLC MODICON. Por esos tiempos los microprocesadores no eran tan rápidos y sólo podían compararse a PLC's pequeños. Con el avance en el desarrollo de los microprocesadores (más veloces), cada vez PLC's más grandes comenzaron a basarse en ellos. La habilidad de comunicación entre ellos apareció aproximadamente en el año 1973. El primer sistema que lo hacía fue el Modbus de Modicon. Los PLC's podían incluso estar alejados de la maquinaria que controlaban, pero la falta de estandarización debido al constante cambio en la tecnología hizo que esta comunicación se tornara difícil. En los años 80 se intentó estandarizar la comunicación entre PLCs con el protocolo de automatización de manufactura de la General Motors (MAP). En esos tiempos el tamaño del PLC se redujo, su programación se realizaba mediante computadoras personales (PC) en vez de terminales dedicadas sólo a ese propósito. En los años 90 se introdujeron nuevos protocolos y se mejoraron algunos anteriores. El estándar IEC 1131-3 intentó combinar los lenguajes de programación de los PLC en un solo estándar internacional. Ahora se tienen PLC's que se programan en función de diagrama de bloques, listas de instrucciones, lenguaje C, etc. al mismo tiempo. También se ha dado el caso en que computadoras personales (PC) han reemplazado a los PLC's, como ejemplo, la compañía original que diseño el primer PLC (MODICON) ahora crea sistemas de control basados en PC. Hoy en día, los PLC's no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales a nalógicas para realizar estrategias de control, tales como los controladores proporcional integral derivativo (PID). Los PLC's actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido. 2) Los principios básicos de los sistemas programables son: Procesamiento de datos: Los datos pueden adoptar una gran variedad de formas, y el rango de los requisitos procesado es amplio, sin embargo, hay solo unos pocos métodos o tipos fundamentales de procesado de datos. Almacenamiento de datos: incluso si el computador procesa datos al vuelo (es decir, los datos se introducen, se procesan y los resultados se obtienen inmediatamente), el computador tiene que guardar temporalmente al menos aquellos datos con los que está trabajando en un momento dado. Así hay al menos una función de almacenamiento de datos a corto plazo. El computador almacena ficheros de datos para que se recuperen y actualicen en un futuro. Transferencia de datos: El entorno de operación del computador se compone de dispositivos que sirven bien como fuente o bien como destino de datos. Cuando se reciben o se llev an datos a un dispositivo que está directamente conectado con el computador, el proceso se conoce como entrada-salida (E/S), y este dispositivo recibe el nombre de periférico.
Control: El control es ejercido por el ente que proporciona instrucciones al computador. Dentro de este, una unidad de control gestiona los recursos del computador y dirige las restricciones de sus partes funcionales en respuesta a estas instrucciones. 3) A) Arquitectura de Von Neumann: Tradicionalmente los sistemas con microprocesadores se basan en esta es ta arquitectura, en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una memoria principal única (casi siempre sólo RAM) donde se guardan las instrucciones del programa y los datos. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (control, direcciones y datos). En un sistema con arquitectura Von Neumann el tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus que comunica la memoria con la CPU. Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. Si tiene que acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria. El tener un único bus hace que el microprocesador sea más lento en su respuesta, ya que no puede buscar en memoria una nueva instrucción mientras no finalicen las transferencias de datos de la instrucción anterior. B) Arquitectura Harvard: Este modelo, que utilizan los Microcontroladores PIC, tiene la unidad central de proceso (CPU) conectada a dos memorias (una con las instrucciones y otra con los datos) por medio de dos buses diferentes. Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos ( Memoria de Datos). Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones. Como los buses son independientes estos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud. También la longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general. Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido, o RISC (Reduced Instrucción Set Computer), el set de instrucciones y el bus de memoria de programa pueden diseñarse de tal manera que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud. Además, al ser los buses independientes, la CPU puede acceder a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo leer la siguiente instrucción a ejecutar. 4)Para realizar las operaciones básicas todo microprocesador se divide en tres partes fundamentales incluidas en su encapsulado, que son: memoria cache, unidad de control y motor de ejecución. Caché: En tres de los cinco pasos que hemos mencionado (las dos búsquedas y el almacenamiento) se realizan interacciones con el sistema de memoria RAM. Por lo tanto, es muy importante que la vel ocidad con la que se acceda a la memoria sea lo suficiente como para no retrasar el trabajo del procesador. Es decir, se busca que el procesador este trabajando la mayor parte del tiempo, y que no se produzcan fluctuaciones en su funcionamiento. A medida que los procesadores se fueron haciendo más rápidos internamente, se comenzó a notar que la memoria RAM (más lenta y de menor escalabilidad en cuanto a su velocidad) actuaba como “cuello de botella”, de modo que se desperdiciaba el verdadero potencial de la CPU. Por eso se decidió colocar una pequeña memoria de alta velocidad (memoria SRAM) denominada memoria cache en la que el procesador puede almacenar la información con la que está trabajando y de esta manera no debe recurrir al lento sistema de memoria RAM con tanta frecuencia. En la actualidad los microprocesadores cuentan con memoria cache de distintos niveles (level 1, level 2 y hasta level 3). La memoria Level 1 (L1) prácticamente funciona a la velocidad del microprocesador, en cambio la Level 2 (L2) y Level 3 (L3) son relativamente más lentas. Unidad de Control: Cuando el procesador toma datos de la memoria cache (que, a su vez, toma datos de la memoria RAM principal), empieza a actuar la unidad de control. Esta parte del microprocesador interpreta las instrucciones y determina la forma que deben ser entregadas a la unidad de ejecución (esto es, las ordena y las envía de la mejor manera posible). Esta unidad contiene pequeñas celdas de memoria llamadas registros, donde se almacena la información
acerca de las instrucciones que se están ejecutando, como la dirección de memoria de la instrucción actual y de la próxima. Las partes fundamentales de la unidad unidad de control son el decodificador, que toma el código de la instrucción y lo pasa a un lenguaje interno del procesador; y el secuenciador, que es donde la instrucción se descompone en pequeñas porciones denominadas microinstrucciones, que luego pasan al motor de ejecución en un orden conveniente. Motor de ejecución: Las unidades de ejecución se encargan de realizar las operaciones matemáticas y lógicas propiamente dichas, y de guardar el resultado para terminar la fase de ejecución. Por ese motivo toda unidad de ejecución está conformada por dos partes esenciales: una serie de registros y un circuito operacional, que contiene la lógica necesaria para manejar los datos recibidos. Los registros pueden ser: De entrada: los cuales contienen los operandos para el proceso Acumulador: almacena el resultado de la operación De control o de estado: se utilizan para determinar ciertos parámetros de los resultados Los microprocesadores actuales cuentan con dos tipos de unidades de ejecución, la ALU (unidad aritmética y lógica) y la FPU (unidad de punto flotante). La ALU realiza las operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicaciones) y lógicas (comparaciones, decisiones) con números enteros. En la actualidad los microprocesadores cuentan con más de una ALU en el mismo chip. La FPU o coprocesador matemático (antiguamente se incluía en un chip), se encarga de realizar operaciones con números reales que están representados mediante un estándar. microcontroladores: La forma en que cada elemento dentro de un microcontrolador interactúa con el resto define a grandes rasgos sus capacidades, rendimiento y utilidad o no, en diferentes situaciones. Hoy en día la arquitectura Harvard cumple con la mayoría de los requerimientos de l os sistemas de alto rendimiento. Si esta además se complementa con una arquitectura RISC que se basa en poseer un repertorio de instrucciones máquina pequeño y simple, y con la técnica de segmentación que consiste en descomponer una instrucción en etapas con la finalidad de trabajar con varias etapas a la vez, se logra la finalidad del alto rendimiento y velocidad que hoy en día requiere la mayoría de los procesadores. Procesador o Microprocesador. Un procesador incluye al menos tres elementos, ALU, unidad de control y registros. ALU. También conocida como Unidad Aritmética y Lógica. Está unidad esta compuesta por los circuitos electrónicos digitales del tipo combinatorios (compuertas, sumadores, multiplicadores), cuya principal función es el realizar operaciones. Estas operaciones están divididas en tres tipos: Lógicas. Como las operaciones básicas de las compuertas lógicas, como la suma lógica (OR), multiplicación lógica (AND), diferencia lógica (XOR) y negación (NOT). Una operación lógica sólo puede tener como entradas y como salidas una respuesta lógica (0 o 1). Esto dependiendo de los niv eles de voltajes de una señal digital. Aritméticas. Las operaciones artiméticas son la suma, resta, multiplicación y división. Dependiendo del procesador (8, 16, 32 o 64 bits) será la rapidez con la que se pueden hacer dichas operaciones. Misceláneas. En estas operaciones caen todas las demás operaciones como la transferencia de bits Unidad de control. La unidad de control es el conjunto de sistemas digitales secuenciales (aquellos que tienen memoria) que permiten distribuir la lógica de las señales.
Registros. Los registros son las memorias principales de los procesadores, ya que funcionan a la misma velocidad que el procesador a diferencia de otras memorias un tanto más lentas (como la RAM, FLASH o la CACHE). Los registros están construidos por Flip-Flops. Los Flip-Flops son circuitos digitales secuenciales. Periféricos. Los periféricos son los circuitos digitales que nos permiten una interacción con el mundo “exterior” al microcontrolador. Su función es la de poder habilitar o deshabilitar las salidas digitales, leer sensores analógicos, comunicación con terminales digitales o sacar señales analógicas de una conversión digital. Puertos de entrada/salida pararelos. Los puertos están relacionados al tamaño del procesador, es decir que un puerto de 8 bits es porque el procesador es de 8 bits. Un procesador de 64 bits, tiene la capacidad de tener un puerto de 64 bits. Puertos seriales. Nos permiten transformar la información digital pararela (bytes de información) en tramas que se pueden transferir por una o varias líneas de comunicación. Existen, por ejemplo: puerto serial, i2c, SPI, USB, CAN, etc. Periféricos analógicos. Como los que convierten señales analógicas a digitales (ADC) o señales digitales a analógicas (DAC) o comparadores analógicos. Memoria. La memoria está dividida en tres. La memoria para el programa (FLASH), la memoria para los datos o variables del programa (RAM) y la memoria para configuraciones o no volátil (EEPROM). 5) Microprocesadores Fabricantes Los principales fabricantes de microprocesadores son: Freescale, Fujitsu, Intel, AMD, Intersil, Toshiba, Zarlink, Arm, Motorola, Apple, Sun, Compaq, IBM, cyrix. Aunque sin lugar a duda las dos marcas que manejan el Mercado de los microprocesadores y están en constante competencia son: INTEL y AMD. Características técnicas básicas Los microprocesadores pueden contener una o más unidades centrales de procesamiento (CPU) constituidas, esencialmente, por registros, una unidad de control, una unidad aritmético lógica (ALU) y una unidad de cálculo en coma flotante (conocida antiguamente como «coprocesador matemático»). El microprocesador está conectado generalmente mediante un zócalo específico de la placa base de la computadora; normalmente para su correcto y estable funcionamiento, se le incorpora un sistema de refrigeración que consta de un disipador de calor fabricado en algún material de alta conductividad térmica, como cobre o aluminio, y de uno o más ventiladores que eliminan el exceso del calor absorbido por el disipador. Entre el disipador y la cápsula del microprocesador usualmente se coloca pasta térmica para mejorar la conductividad del calor. Existen otros métodos más eficaces, como la refrigeración líquida o el uso de células peltier para refrigeración extrema, aunque estas técnicas se utilizan casi exclusivamente para aplicaciones especiales, tales como en las prácticas de overclocking. Aplicaciones Los microprocesadores son aplicables a una amplia gama de tareas de procesamiento de inf ormación, que van desde la informática en general, hasta sistemas de monitoreo en tiempo real. El microprocesador facilita nuevas formas de comunicación y hace uso de la gran cantidad de información
disponible para nosotros en línea y fuera de línea. La mayoría de los dispositivos electrónicos - incluyendo todo, desde computadoras, controles remotos, lavadoras, hornos microondas y teléfonos celulares para iPods y más - contienen un microprocesador incorporado. Signal Processing Los microprocesadores también se utilizan como " procesadores de señal " para señales de radio y decodificación de señales digitales, tales como los utilizados en los televisores digitales. Por otra parte, los microprocesadores utilizados en el procesamiento de señales permiten a la gente, de diferentes partes del mundo, hablar y vernos a través de sus pantallas de ordenador utilizando pequeñas cámaras de video, que por lo general están incrustados con micrófonos.
Microcontroladores Fabricantes Microchip Technology Inc, Atmel Corporation, Freescale Semiconductor, Texas Instruments o TI, ZiLOG Inc, Motorola e Intel. Características técnicas básicas Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida. Algunos microcontroladores pueden utilizar palabras de cuatro bits y funcionan a velocidad de reloj con frecuencias tan bajas como 4 kHz, con un consumo de baja potencia (mW o microwatts). Aplicación La aplicación de los microcontroladores es muy extensa, desde su utilización para procesos en electrodomésticos hasta aplicaciones más complejas como en el área automotriz o de aviación. Cabe mencionar que los principales usos de de un microcontrolador se encuentran en: -Regulación -Automatismos -Robótica -Informática Ejemplos: cámaras de video, escáner, teclado de una computadora. Ventajas Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes ventajas: -Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo. -Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.
-Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un circuito integrado disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks. -Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones.
6) Microprocesadores Intel es la encargada de revolucionar el mundo de la computación, esta vez con el lanzamiento de la Segunda Generación de su familia de procesadores Intel Core, la cual representa un salto de calidad asombroso en cuanto a la capacidad de procesamiento y a la experiencia visual que obtiene el usuario. Estos modelos basados en la tecnología Quad-Core (cuatro núcleos) renuevan las línea i3, i5 e i 7 de Intel, e incorporan una unidad de procesamiento gráfico de alta calidad, la cual, gracias a aplicaciones como Intel Insider, Intel Quick Sync Video y una nueva versión de Intel Wireless Display, permiten jugar videojuegos, reproducir imágenes y video en alta definición (1080p) o 3D; e incluso editar y compartir contenidos multimedia con una altísima calidad y sin necesidad de una placa aceleradora de video extra. A su vez, el hecho de que cada plaqueta sea de tan sólo 32 nanómetros permite un mejor desempeño y ofrecen una gran duración de batería, lo que facilita el diseño de laptops y PCs all-in-one más delgadas y livianas. Esto significa básicamente que aproximadamente el 80 por ciento de los usuarios de computadoras, que no necesiten exigir a nivel profesional el poder gráfico de su PC, estarán más que cubiertos con el poder de procesamiento de datos y de aceleración gráfica que ofrece esta nueva generación de microprocesadores de Intel. Ya sea que quieran acceder a contenido multimedia en alta definición o 3D, utilizar entornos multitareas, navegar por Internet, subir fotos a Facebook, videos a YouTube, ver películas en Blu-Ray o, simplemente, jugar videojuegos en calidad media, podrán hacerlo perfectamente y sin necesidad de comprar una placa de video dedicada. Microcontroladores Gracias a que la demanda de dispositivos electrónicos y digitales aumenta día a día, los microcontroladores son cada vez más potentes y son utilizados en nuevas áreas. Uno de los principales retos es hacerlos aún más pequeños y que consuman menos energía. Otra característica pertinente es la implementación de memoria RAM. Una característica que ayudaría mucho a los desarrolladores es la implementación se sensores en el mismo chip, ya que sería muy útil en aplicaciones biomédicas. Sin duda pronto veremos circuitos integrando que implementen entradas físicas en un mismo circuito integrado como: sensores de luz, aceleración, temperatura, procesamiento de señales análogas, autoreprogramación, adaptación a entornos, etc. El mundo de los microcontroladores tiene un futuro muy interesante. 7) Autómata programable En electrónica un autómata es un sistema secuencial, aunque en ocasiones la palabra es utilizada también para referirse a un robot. Puede definirse como un equipo electrónico programable en lenguaje no informático y diseñado para controlar, en tiempo real y en ambiente industrial, procesos secuenciales. Sin embargo, la rápida evolución de los autómatas hace que esta definición no esté cerrada. Aplicación
Las primeras aplicaciones de los autómatas programables se dieron en la industria automotriz para sustituir los complejos equipos basados en relés. Sin embargo, la disminución de tamaño y el menor costo han permitido que los autómatas sean utilizados en todos los sectores de la industria. Sólo a modo de ejemplo, se mencionan a continuación algunos de los múltiples campos de aplicación. Estructura Un autómata programable se puede considerar como un sistema basado en un microprocesador, siendo sus partes fundamentales la Unidad Central de Proceso (CPU), la Memoria y el Sistema de Entradas y Salidas (E/S). La CPU realiza el control interno y externo del autómata y la interpretación de las instrucciones del programa. A partir de las instrucciones almacenadas en la memoria y de los datos que recibe de las entradas, genera las señales de las salidas. La memoria se divide en dos bloques, la memoria de solo lectura o ROM (Read Only Memory) y la memoria de lectura y escritura o RAM (Random Access Memory). En la memoria ROM se almacenan programas para el correcto funcionamiento del sistema, como el programa de comprobación de la puesta en marcha y el programa de exploración de la memoria RAM. La memoria RAM a su vez puede dividirse en dos áreas: Memoria de datos, en la que se almacena la información de los estados de las entradas y salidas y de variables internas. Memoria de usuario, en la que se almacena el programa con el que trabajará el autómata. Programación Para controlar un determinado proceso, el autómata realiza sus tareas de acuerdo con una serie de sentencias o instrucciones establecidas en un programa. Dichas instrucciones deberán haber sido escritas con anterioridad por el usuario en un lenguaje comprensible para la CPU. En general, las instrucciones pueden ser de funciones lógicas, de tiempo, de cuenta, aritméticas, de espera, de salto, de comparación, de comunicación y auxiliares. Dependiendo del fabricante, los lenguajes de programación son muy diversos, sin embargo, suelen tener alguna relación más o menos directa con los lenguajes Ladder o GRAFCET.
