CONTROLADORES LÓGICO PROGRAMABLES

INTRODUCCIÓN.

Se entiende por Controlador Lógico Programable (PLC), o Autómata Programable,

a toda máquina electrónica, diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial

procesos secuencias. Su manejo y programación puede ser realizada por personal

eléctrico o electrónico sin conocimientos informáticos. Realiza funciones lógicas:

series, paralelos, temporizaciones, contajes y otras más potentes como cálculos,

regulaciones etc.

También se le puede definir como una “caja negra” en la que existen unas

terminales de entrada a los que se conectarán pulsadores, finales de carrera, fotocélulas,

detectores, unas terminales de salida a los que se conectarán bobinas de contactores,

electroválvulas, lámparas, de tal forma que la actuación de estos últimos está en función

de las señales de entrada que estén activadas en cada momento, según el programa

almacenado.

Esto quiere decir que los elementos tradicionales como relés auxiliares, relés de

enclavamiento, temporizadores, contadores.., son internos. La tarea del usuario se

reduce a realizar el “programa”, que no es más que la relación entre las señales de

entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida.

Un Controlador Lógico Programable (PLC, por sus siglas en inglés) se define

como un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar

instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de configuración de secuencia, de

sincronía, de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y procesos (figura) 1.1.

Este tipo de procesadores se denomina lógico debido a que su programación

básicamente tiene que ver con la ejecución de operaciones lógicas y de conmutación.

Los dispositivos de entrada (por ejemplo, un interruptor) y los dispositivos de

salida (por ejemplo, un motor), que están bajo control se conectan al PLC; de esta

manera el controlador monitorea las entradas y salidas, de acuerdo con el programa

diseñado por el operador para el PLC y que este conserva en memoria y de esta manera

se controlan maquinas o procesos. 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 PLCs 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 de salida; basta con que el operador digite en un teclado las instrucciones

correspondientes. Lo anterior permite contar con un sistema flexible mediante el cual es

posible controlar sistemas muy diversos entre si, tanto en tipo como en complejidad.

Si bien los PLCs son similares a las computadoras, tienen características

específicas que permiten su empleo como controladores.

Estas son:

1.- Son robustos y esta diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y

ruido.

2.- La interfaz para las entradas y las salidas están dentro del controlador.

3.- Es muy fácil programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La

programación básicamente consiste en operaciones de lógica y conmutación.

Programa de Control

PLC

Entradas desde Salidas hacia Dispositivos Dispositivos

Figura 1.1 Controlador Lógico Programable (PLC)

El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación

muy extenso. La constante evolución de hardware y software amplía continuamente este

campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus

posibilidades reales.

Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es

necesario realizar procesos de maniobra, control, señalización. Etc., por tanto, su

aplicación abarca desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo al de

transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.

Sus reducidas dimensiones, la extrema facilidad de su montaje, la posibilidad de

almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o

alteración de los mismos, etc. Hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en

procesos en que se produce necesidades tales como:

1.- Espacio Reducido

2.- Procesos de Producción Periódicamente Cambiantes.

3.- Procesos Secuénciales.

4.- Maquinaria de Procesos Variables.

5.- Instalaciones de Procesos Complejos y Amplios.

6.- Chequeo de Programación Centralizada de las partes del proceso.

Ejemplos de aplicaciones generales podrían ser lo siguiente:

a) Maniobra de Máquinas

1.- Maquinaria Industrial del Mueble y Madera.

2.- Maquinaria en Procesos de Grava, Arena y Cemento.

3.- Maquinaria en la Industria del Plástico.

4.- Maquinas-Herramientas Complejas.

5.- Maquinaria en Procesos Textiles y de Confección.

6.- Maquinaria de Ensamblaje.

b) Maniobra de Instalaciones

1.- Instalaciones de Aire Acondicionado, Calefacción, etc.

2.- Instalaciones de Seguridad

3.- Instalaciones de Frío Industrial

4.- Instalaciones de Almacenamiento y Trasvase y Cereales.

5.- Instalaciones de Plantas Embotelladoras.

6.-Instalaciones en la Industria de Automoción.

7.- Instalaciones de Tratamientos Térmicos.

8.- Instalaciones de Plantas Depuradoras de Residuos.

9.- Instalaciones de cerámica.

c) Señalización y control

1.- Chequeo de programas.

2.- Señalización del estado de proceso.

1.1 ANTECEDENTES E HISTORIA

El desafío constante que toda industria tiene planteado para ser competitiva a sido

el motor impulsor del desarrollo de nuevas tecnologías para conseguir una mayor

productividad.

Debido a que ciertas etapas en los procesos de fabricación se realizan en

ambientes nocivos para la salud, con gases tóxicos, ruidos, temperaturas

extremadamente altas o bajas, etcétera, unido a consideraciones de productividad, llevó

a pensar en la posibilidad de dejar ciertas tareas tediosas, repetitivas y peligrosas a un

ente al que no pudieran afectarle las condiciones ambientales adversas: había nacido la

máquina y con ella la automatización.

Surgieron empresas dedicadas al desarrollo de los elementos que hicieran posible

tal automatización; debido a que las máquinas eran diferentes y diferentes las maniobras

a realizar, se hizo necesario crear unos elementos estándar que, mediante la

combinación de los mismos, el usuario pudiera realizar la secuencia de movimientos

deseada para solucionar su problema de aplicación particular.

Relés, temporizadores, contadores, fueron y son elementos con que se cuenta para

realizar el control de cualquier máquina. Debido a la constante mejora de la calidad de

estos elementos y la demanda del mercado, que exigía mayor y mejor calidad en la

producción, se fue incrementando el número de etapas en los procesos de fabricación

controlados de forma automática.

Comenzaron a aparecer problemas: los armarios de maniobra o cajas donde se

coloca el conjunto de relés, temporizadores, etc., constitutivos de un control, se hacían

cada vez más y más grandes, la probabilidad de avería era enorme, su localización, larga

y complicada, el stock que el usuario se veía obligado a soportar era numeroso, y el

costo del mismo se incrementa cada vez más.

El desarrollo tecnológico que trajeron los semiconductores primero y los circuitos

integrados después intentaron resolver el problema sustituyendo las funciones realizadas

mediante relés por funciones realizadas con puertas lógicas.

Con estos nuevos elementos se ganó en fiabilidad y se redujo el problema del

espacio, pero no así la detección de averías ni el problema del mantenimiento de un

stock. de todas maneras subsistía un problema: la falta de flexibilidad de los sistemas.

Debido a las constantes modificaciones que las industrias se veían obligadas a

realizar en sus instalaciones para la mejora de la productividad, los armarios de

maniobra tenían que ser cambiados, con la consiguiente perdida de tiempo y el aumento

del costo que ello producía.

En 1968, Ford y General Motors impusieron a sus proveedores de automatismos

unas especificaciones para la realización de un sistema de control electrónico para

máquinas transfer. Este equipo debía ser fácilmente programable, sin recurrir a los

computadores industriales ya en servicio en la industria.

A medio camino entre estos microcomputadores y la lógica cableada aparecen

los primeros modelos de Autómatas, también llamados controladores lógicos

programables (PLC´s). Limitados originalmente a los tratamientos de lógica secuencial,

los Autómatas se desarrollaron rápidamente y actualmente extienden sus aplicaciones al

conjunto de sistemas de control de procesos y de máquinas.

1.2 AUTOMATISMOS

INTRODUCCIÓN.

La automatización de una máquina o proceso productivo simple tiene como

consecuencia la liberación física y mental del hombre de dicha labor. Se denomina

“automatismo” al dispositivo físico que realiza esta función controlando su

funcionamiento.

Los aparatos de conexión y los auxiliares automáticos de mando son los que

principalmente realizan esta función .

1.2.1 PRINCIPIO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO

Todo sistema automático por simple que este sea se basa en el concepto de bucle

o lazo, tal y como se representa en la Figura 1.2.

Figura 1.2 Bucle o lazo en un sistema automático

El siguiente ejemplo de un automatismo en lógica cableada nos ayuda a su

comprensión; sea una taladradora (Figura 1.3) compuesta por:

1.- Un motor B de traslación con dos sentidos de marcha, bajada y subida, accionado

por dos contactores, K3 y K4, respectivamente.

2.- Un motor A de rotación de la broca, con dos sentidos de giro: derecha e izquierda,

accionado por dos contactores, K1 y K2, respectivamente.

3.- Dos finales de carrera: FC1 de puesta en marcha para realizar el taladro y FC2 de

final del mismo.

4.- Pulsadores de marcha y paro, protecciones, temporizadores, señalizaciones, etc.

Figura 1.3 Equipo de taladro con sus finales de carrera

El funcionamiento de esta taladradora sería el que se describe a continuación:

En la posición inicial y accionado el pulsador de marcha, con FC1 cerrado, se activan

K1 y K3 iniciándose el descenso y giro a derechas de la broca y ejecutándose el taladro.

Al final del mismo se activa el FC2, deteniéndose el proceso durante un tiempo

determinado por el temporizador T1, al final del cual se activan K2 y K4, elevándose la

broca y girando en sentido contrario hasta que F1 detiene el proceso y temporiza el T2,

volviéndose a repetir el ciclo.

El posicionamiento y retirada de la pieza a taladrar es manual.

En la figura 1.4 se representa el lazo o bucle correspondiente al montaje de la

taladradora del ejemplo y en donde se observa la similitud con el lazo de la Figura 1.2.

La situación física de los actuadores no tiene importancia desde el punto de vista

de interpretación del significado, ya que en este caso estos contactores estarían situados

en el armario de automatismos, mientras que en el caso de un automatismo con

electroválvulas estas se encontrarían en la parte física de trabajo-máquina, aun cuando

el mando de las mismas se encontrase en el armario de automatismos.

Figura 1.4 Lazo o bucle de la taladradora del ejemplo

1.3 FASES DE ESTUDIO EN LA ELABORACION DE UN

AUTOMATISMO.

Para el desarrollo y la elaboración correcta de un automatismo, por el técnico o

equipo encargado de ello, es necesario conocer previamente los datos siguientes:

a) Las especificaciones técnicas del sistema o proceso a automatizar y su correcta

interpretación.

b) La parte económica asignada para no caer en el error de elaborar una buena

opción desde el punto de vista técnico, pero inviable económicamente.

c) Los materiales, aparatos, etc., existentes en el mercado que se van a utilizar

para diseñar el automatismo. En este aparato es importante conocer también:

1.- Calidad de la información técnica de los equipos.

2.- Disponibilidad y rapidez en cuanto a recambios y asistencia técnica.

El organigrama de la Figura 1.5 representa el procedimiento general o fases más

utilizado para el estudio de los automatismos.

A continuación se va a estudiar cada uno de los aparatos descritos:

a) Estudio previo. Es importante antes de iniciar cualquier estudio de un

automatismo el conocer con el mayor detalle posible las características, el

funcionamiento, las distintas funciones, de la máquina o proceso a automatizar;

esto lo obtenemos de las especificaciones funcionales, esta es la base mínima a

partir de la cual podemos iniciar el siguiente paso, es decir, estudiar cuales son

los elementos más idóneos para la construcción del automatismo.

Figura 1.5 Organigrama general para el estudio y elaboración de automatismos

b) Estudio técnico-económico. Es la parte técnica de especificaciones del

automatismo: relación de materiales, aparatos, su adaptación al sistema y al

entorno en el que se haya inscrito, etc. También aquí se ha de valorar la parte

operativa del comportamiento del automatismo en todos sus aspectos, como

mantenimiento, fiabilidad, etcétera. Es obvio que la valoración económica, que

será función directa de las prestaciones del mismo, ha de quedar incluida en

esta parte del estudio.

c) Decisión final. En el apartado anterior se estudiaron las dos

posibilidades u

opciones tecnológicas generales posibles: lógica cableada y lógica programada.

Con esta información y previa elaboración de los parámetros que se consideran

necesarios tener en cuenta, se procede al análisis del problema.

Los parámetros que se deben valorar para una decisión correcta pueden ser

muchos y variados, algunos de los cuales serán específicos en función del problema

concreto que se va a resolver, pero otros serán comunes, tales como los siguientes:

▪ Ventajas e inconvenientes que se le asignan a cada opción en relación a su fiabilidad,

vida media y mantenimiento.

▪ Posibilidades de ampliación y de aprovechamiento de lo existente en cada caso.

▪ Posibilidades económicas y rentabilidad de la inversión realizada en cada opción.

Ahorro desde el punto de vista de necesidades para su manejo y mantenimiento.

Una vez realizado este análisis solo queda adoptar la solución final elegida.

1.4 OPCIONES TECNOLÓGICAS

La Tabla 1.1 nos muestra las opciones tecnológicas posibles derivadas de las

dos generales: lógica cableada y lógica programada. La Figura 1.6 nos ayudara a

escoger la elección que más se acomode al caso, en función de las características del

mismo.

Tabla 1.1 Opciones tecnológicas generales

1.4.1 ORGANIGRAMAS PARA DESARROLLAR EL CONTROL DE UN PROCESO.

Los organigramas de las Figuras 1.7 y 1.8 pueden ser de gran utilidad una vez que

se haya decidido por la opción tecnológica más apropiada, lógica cableada o lógica

programada.

Figura 1.6 Organigrama de elección tecnológica

Figura 1.7 Organigrama para el desarrollo de un proceso con lógica cableada

Figura 1.8 Organigrama para el desarrollo de un proceso con Autómata Programable

RESUMEN

▪Automatismo es todo dispositivo eléctrico,

Electrónico, neumática, etc., capaz por si

solo de controlar el funcionamiento de una

máquina o proceso.

▪Se entiende por bucle o lazo, el circuito

cerrado definido por: Automatismo-órdenes

accionadotes-máquina-captadores-señales-

automatismo.

▪En el estudio de cualquier automatismo es

necesario seguir un procedimiento o método

que en general es: previo-estudio técnico-

económico-decisión final.

▪Las opciones tecnológicas generales son

dos: lógicas cableadas y lógica programada.

▪En una decisión final, para elegir el tipo de

opción más eficaz hay que tener en cuenta

factores como: ventajas e inconvenientes de

cada opción, posibilidades de ampliación,

rentabilidad y ahorro económico en

personal principalmente.

PREGUNTAS

1. Describir un automatismo conocido.

2. ¿Qué significa bucle o lazo? Dibujar

un ejemplo.

3. Diferenciar los conceptos siguientes:

maquina, proceso, automatismo.

4. ¿Qué se entiende por

especificaciones técnicas? ¿Y por

fiabilidad y rentabilidad?

5. ¿Qué diferencias fundamentales

existen. Entre lógica cableada y

programada?

6. Razonar el significado Opciones

Tecnológicas.

7. Explicar la relación que existe entre una

maquina o proceso y los captores y

actuadotes acoplados a la misma.

UNIDAD II

ARQUITECTURA INTERNA DEL AUTÓMATA

INTRODUCCIÓN

Un autómata programable industrial (API) es un equipo electrónico de control

con un cableado interno (hardware) independiente del proceso a controlar, que se adapta

a dicho proceso mediante un programa específico (software) que contiene la secuencia

de operaciones a realizar. Esta secuencia de operaciones se define sobre señales de

entrada y salida al proceso, cableadas directamente en los bornes de conexión del

autómata.

Las señales de entrada pueden proceder de elementos digitales, como finales de

carrera y detectores de proximidad, o analógicos, como sensores de temperatura y

dispositivos de salida en tensión o corriente continuas.

Las señales de salida son órdenes digitales todo o nada o señales analógicas en

tensión o corriente, que se envían a los elementos indicadores y actuadores del proceso,

como lámparas, contactores, válvulas, etc.

El autómata gobierna las señales de salida según el programa de control

previamente almacenado en una memoria, a partir del estado de las señales de entrada.

Este programa se introduce en el autómata a través de la unidad de

programación, que permite además funciones adicionales como depuración de

programas, simulación, monitorización, control del autómata, etc.

Una característica diferenciadora del API frente a otros sistemas de control

programables está en la estandarización de su hardware, que permite la configuración de

sistemas de control “a medida”, según las necesidades estimadas de potencia de cálculo

y número y tipo de señales de entrada y salida.

El autómata se configura alrededor de una unidad central o de control, que,

unida por medio de buses internos a las interfaces de entrada y salida y a las memorias,

define lo que se conoce como arquitectura interna del autómata.

Según las soluciones constructivas adoptadas, esta arquitectura puede tomar

distintas configuraciones, que serán objeto de estudio en un capítulo posterior. En este,

se definen los bloques constitutivos del autómata y sus características más relevantes.

2.1 BLOQUES ESENCIALES DE UN AUTOMATA.

Un autómata programable se compone esencialmente de los siguientes bloques fig.

2.1

▪Unidad central de proceso o de control, CPU.

▪Memorias internas

▪Memorias de programa

▪Interfaces de entrada y salida

▪Fuente de alimentación.

La unidad de control consulta el estado de las entradas y recoge de la memoria

de programa la secuencia de instrucciones a ejecutar, elaborando a partir de ella las

señales de salida u órdenes que se enviaran al proceso. Durante la ejecución del

programa, las instrucciones son procesadas en serie, una tras otra.

La unidad de control es también la responsable de actualizar continuamente los

temporizadores y contadores internos que hayan sido programados.

La memoria del autómata contiene todos los datos e instrucciones que necesita

para ejecutar la tarea de control.

La memoria interna es la encargada de almacenar datos intermedios de cálculo y

variables internas que no aparecen directamente sobre las salidas, así como un reflejo o

imagen de los últimos estados leídos sobre las señales de entrada o enviados a las

señales de salida.

La memoria de programa contiene la secuencia de operaciones que deben

realizarse sobre las señales de salida, así como los parámetros de configuración del

autómata. Por ello, si hay que introducir alguna variación sobre el sistema de control

basta generalmente con modificar el contenido de esta memoria.

Figura 2.1 Diagrama de bloques de un autómata programable

Las interfaces de entrada y salida establecen la comunicación del autómata con

la planta. Para ello, se conectan, por una parte, con las señales de proceso a través de los

bornes previstos y, por otra parte, con el bus interno del autómata. La interfaz se

encarga de adaptar las señales que se manejan en el proceso a las utilizadas

internamente por la máquina. La fuente de alimentación proporciona, a partir de una

tensión exterior, las tensiones necesarias para el buen funcionamiento de los distintos

circuitos electrónicos del sistema. En ocasiones el autómata puede disponer de una

batería conectada a esta fuente de alimentación, lo que asegura el mantenimiento del

programa y algunos datos en las memorias en caso de interrupción de la tensión

exterior.

Se conoce como bus interno al conjunto de líneas y conexiones que permiten la

unión eléctrica entre la unidad de control, las memorias y las interfaces de entrada y

salida.

Un bus se compone de un conjunto de hilos o pistas utilizadas para intercambiar

datos u órdenes (por ejemplo, el contenido de celdas de memoria o las instrucciones de

la unidad de control).

Para minimizar el número de conexiones y dado que la unidad de control, que

organiza el tráfico por estos hilos, solo puede comunicarse con sus periféricos de una

forma secuencial, uno tras otro, el conjunto de hilos del bus es común y compartido por

todos ellos.

Esta estructura exige que en todo momento solo pueda haber un periférico

ocupado el bus, ya que de lo contrario se mezclarían los datos enviados por varios de

ellos o se recibirían en un periférico datos que no le corresponden.

Los tres buses característicos de un sistema digital son (figura 2.2), bus de datos,

por el que tienen lugar las transferencias de datos del sistema, bus de direcciones, a

través del cual se direccional la memoria y el resto de los periféricos, y bus de control,

constituido por todas las conexiones destinadas a gobernar los intercambios de

información, se reunifican en el autómata en uno solo, que recibe el nombre de bus

interno. El número de líneas de este bus depende de cada fabricante.

Se considera también como bus del autómata cualquier conexión entre bloques o

módulos que no necesite de procesadores específicos de comunicaciones en sus

extremos, como, por ejemplo, el cable de conexión entre el autómata y una unidad

externa de expansión de E/S.

Figura 2.2 Estructura de conexión mediante buses

2.2 UNIDAD CENTRAL DE PROCESO, CPU

La CPU “Central Processing Unit”, construida alrededor de un sistema

microprocesador, es la encargada de ejecutar el programa de usuario y de ordenar las

transferencias de información en el sistema de entradas/salidas.

Adicionalmente, puede también establecer comunicación con periféricos externos,

como son la unidad de programación, monitores LED/LCD o TRC, otros autómatas u

ordenadores, etc.

Para ejecutar el programa, la CPU adquiere sucesivamente las instrucciones una

a una desde la memoria, y realiza las operaciones especificadas en las mismas.

El funcionamiento es, salvo escasas excepciones, de tipo interpretado, con

decodificación de las instrucciones cada vez que son ejecutadas.

Esta descodificación puede realizarse mediante un sistema de lógica estándar

con microprocesador más memoria, o puede estar microprogramada por hardware

(cableada) en el propio procesador, según diseño propio del fabricante utilizando

tecnologías “custom” o personalizadas. La primera solución, más barata, es la más

frecuente en autómatas de gama baja, mientras que la segunda, con mayores costos de

diseño y desarrollo, es propia de autómatas de gamas medias y altas, donde el

incremento de precio queda compensado por los bajos tiempos de ejecución de

instrucciones, mucho menores que en la solución estándar (décimas de microsegundos).

En cualquier caso, esta decodificación interna de instrucciones es transparente al

usuario, que no puede modificarla en ninguna forma. Al ser además específica de cada

fabricante, que elige el lenguaje de programación que soportará su autómata

(instrucciones, contactos o símbolos gráficos) y la forma en que se interpretan sus

instrucciones, la decodificación no solo limita los lenguajes disponibles de

programación, sino que es la responsable de que no todas las CPU pueden ejecutar los

mismos programas, aunque hayan sido escritos en el mismo lenguaje, impidiendo, en

definitiva, el intercambio programas entre autómatas diferentes.

En algunos casos, la decodificación se realiza con la ayuda de la memoria exterior

(interprete), de la que pueden existir distintas versiones dentro de una misma familia de

autómatas, ofreciendo una amplia gama de posibilidades como:

· Modificación del lenguaje de programación.

· Tratamiento de señales analógicas.

· Manipulación de textos.

· Algoritmos de control en lazo cerrado, etc.

Esta solución aumenta la flexibilidad del sistema, pero incrementa también los

tiempos de ejecución (los quintuplica, aproximadamente), al tener que decodificar las

instrucciones según las indicaciones de una memoria exterior conectada al bus.

La figura 2.3 muestra los bloques fundamentales de una CPU, donde se reconocen

los siguientes:

- ALU, “Aritmetic Logic Unit”, encargada de realizar las operaciones aritméticas

y lógicas (combinaciones Y, O, sumas, comparaciones, etc.).

- Acumulador, que almacena el resultado de la última operación realizada por la

ALU.

- Flags, o indicadores de resultado de operación (mayor que, positivo, negativo,

resultado cero, etc.).

El estado de estos flags puede ser consultado por el programa.

Figura 2.3 Diagrama de bloques de la unidad central de proceso, CPU.

- Contador de programa, PC ”Program Counter”, encargado de la lectura de las

instrucciones de usuario y, por tanto, de la secuencia de ejecución. Esta

secuencia puede ser modificada con el juego de instrucciones de salto.

- Decodificador de instrucciones y secuenciador, cableado y/o programado, donde

se almacena la secuencia de puesta en marcha las rutinas de test y de error en la

ejecución, etc.

- Opcionalmente, un cartucho de memoria ROM externa, que contendría una

ampliación del interprete incorporado, a fin de que la CPU pudiera decodificar y

ejecutar instrucciones complejas o escritas en lenguajes de programación más

potentes.

Algunos autómatas incluyen junto al acumulador los registros de pila que permiten

almacenar resultados parciales del programa (obtenidos mediante instrucciones

particulares de paréntesis o bloques) antes de operar con ellos y asignar el resultado a

una salida.

La combinación de la CPU con la memoria interna, imagen de entradas/salidas, y de

programa de usuario, es conocida también con el nombre de unidad de proceso o tarjeta

central, aunque algunos fabricantes denominan por extensión al conjunto simplemente

CPU.

Dada la diversidad de funciones que debe realizar la CPU, aparece, en autómatas de

gamas media y altas, una subdivisión y reparto de tareas en la misma, a fin de optimizar

su funcionamiento. Esta subdivisión puede realizarse de dos formas:

-arquitectura de coprocesador,

-estructura de control distribuido mediante el empleo de módulos inteligentes.

Para la primera solución se disponen varios microprocesadores que ejecutan el

programa de forma concurrente, trabajando en paralelo y mejorando significativamente

las prestaciones del sistema en cuanto a rapidez y potencia de cálculo.

En el control distribuido con módulos inteligentes se conectan al bus

procesadores específicos especializados en tareas como la medida y regulación de

temperatura, control de posición, conexión con otros procesadores dentro de una red

local, etc., lo que permite traspasar ciertas funciones, normalmente criticas en el tiempo,

a estos periféricos inteligentes (denominados así por que incluyen sus propios

procesadores y memorias), descargando al procesador central de unos procesos a los

que no podrían atender con la necesaria rapidez.

Ambas soluciones, estructuras de coprocesadores y conexión de módulos

inteligentes, pueden coexistir en algunos modelos de autómata, proporcionando una

superior potencia de cálculo, capacidad y rapidez en la ejecución.

2.3 MEMORIA DEL AUTÓMATA.

La memoria de trabajo es el almacén donde el autómata guarda todo cuando

necesita para ejecutar la tarea de control:

● Datos del proceso

-Señales de planta, entradas y salidas.

-Variables internas, de bit y de palabra.

-Datos alfanuméricos y constantes.

●Datos de control

-Instrucciones de usuario (programa).

-Configuración del autómata (modo de funcionamiento, número de

entradas/salidas conectadas, etc.)

En general, toda esta información, incluyendo el programa de usuario, esta

contenida en memorias de semiconductor.

Una memoria de semiconductor es un dispositivo electrónico capaz de

almacenar datos binarios (señales de niveles altos y bajos, “unos” y “ceros”,

denominados bits), que pueden ser leídos de posición a posición (bit a bit), o por

bloques de ocho (byte) o dieciséis posiciones (Word).

La memoria ideal para el autómata debería ser simultáneamente rápida, pequeña,

barata y de bajo consumo de energía. Como ninguna de las memorias del mercado reúne

todas estas condiciones, los autómatas combinan distintos tipos de ellas.

Una clasificación de memorias, atendiendo a sus características de lectura y escritura,

podría ser la que aparece a continuación:

-Memorias de lectura/escritura, RAM

-Memorias de solo lectura, reprogramables, ROM

-Memorias de solo lectura, reprogramables, con borrado por ultravioletas,

EPROM.

-Memorias de solamente lectura, alterables por medios eléctricos, EEPROM.

Las memorias de lectura/escritura, RAM, pueden ser leídas y modificadas

cuantas veces sea necesario a través de los buses internos, y de forma rápida. Sus

inconvenientes son :

Su relativamente baja densidad de integración (poca capacidad de

almacenamiento) y, sobre todo, su carácter volátil, que provoca la pérdida de

información cada vez que cae la tensión de alimentación. Las memorias RAM se

utilizan principalmente como memorias de datos internos, y únicamente como

memorias de programa en el caso de que pueda asegurarse el mantenimiento de los

datos con una batería exterior.

Las memorias de solo lectura no reprogramables, ROM, no pueden ser

modificadas en ninguna forma. Dentro del autómata, las memorias ROM se utilizan

para almacenar el programa monitor, que contiene las siguientes rutinas, incluidas por el

fabricante:

-Inicialización tras puesta en tensión o reset.

-Rutinas de test y de respuesta a error de funcionamiento.

-Intercambio de información con unidades exteriores.

-Lectura y escritura en las interfaces de E/S.

Además, este monitor puede contener el intérprete del programa de usuario, si

existe. El contenido de esta memoria no es accesible desde el exterior.

Las memorias reprogramables, EPROM, son memorias de solo lectura que

pueden programarse con un circuito especial, después de borrar su contenido. Las

células de memoria son borradas con luz ultravioleta que penetra en el chip a través de

una ventana de cuarzo en su cara superior. Este proceso obliga a su extracción del

autómata y, por tanto, a la interrupción del funcionamiento. Normalmente, estas

memorias se utilizan para almacenar el programa del usuario, una vez que ha sido

convenientemente depurado.

Las EEPROM o memorias reprogramables son memorias de solo lectura

alterables por medios eléctricos, es decir reprogramables sobre él propio circuito, sin

necesidad de extracción y borrado exterior. Los procesos específicos de

almacenamiento y borrado de las memorias EEPROM hacen que los tiempos de acceso

para lectura, y especialmente para escritura, sean largos en comparación con los

correspondientes a las memorias RAM/EPROM. Sin embargo, desde el punto de vista

del usuario, estos inconvenientes no lo son tanto, y para él, en definitiva, las memorias

EEPROM combinan la no volatilidad de

las memorias ROM y EPROM con la reprogramabilidad de las memorias RAM, que les

permite ser modificadas directamente sobre le circuito mediante señales eléctricos.

Hay que advertir, sin embargo, que el número de operaciones de

borrado/escritura está limitado a algunos cientos de miles, por lo que estas memorias,

utilizadas como área interna de trabajo, se destruirían con rapidez bajo la acción del

procesador.

Así, las memorias EEPROM se emplean principalmente para almacenar

programas, aunque en la actualidad es cada vez más frecuente el uso de combinaciones

RAM+EEPROM, utilizando estas últimas como memorias de seguridad que salvan el

contenido de las RAM en caso de interrupción del suministro eléctrico. Una vez

reanudada la alimentación, el contenido de la EEPROM se vuelca de nuevo a RAM, con

lo que el autómata puede continuar en el mismo punto del programa en que fue

interrumpido por la pérdida de tensión.

Las soluciones de este tipo están sustituyendo a las clásicas RAM + batería, que,

pese a ser profundamente utilizadas, no dejan de presentar problemas de mantenimiento.

La figura 2.4 muestra una clasificación de las memorias empleadas en el autómata, con

la aplicación que se da a cada una de ellas.

Figura 2.4 Tipos de memoria y aplicaciones en un autómata programable.

Atendiendo a su conexionado, las memorias de trabajo pueden ser compactas,

incluidas en el propio autómata y conteniendo todos los datos e instrucciones de control

o lo que es más frecuente, modulares y ampliables mediante cartuchos o tarjetas

externas que contienen o amplían el programa y los datos alfanuméricos.

2.3.1 Memorias Internas

En un autómata programable, memoria interna es aquella que almacena el estado

de las variables que maneja el autómata: entradas, salidas, contadores, relés internos,

señales de estado, etc.

La memoria interna, de longitud invariable para cada modelo de autómata, fija

sus características funcionales en cuanto a capacidad de direccionamiento E/S, y

número y tipo de variables internas manipuladas.

Por esta razón, la clasificación de la memoria interna no se realiza atendiendo a

sus características de lectura y escritura, sino por el tipo de variables que almacena y el

numero de bits que ocupa la variable. Así, la memoria interna del autómata queda

clasificada en las siguientes áreas:

Posiciones de 1 bit (bits internos).

-Memoria imagen de entrada/salidas.

-Relés internos.

-Relés especiales/auxiliares.

Posiciones de 8, 16 o más bits (registros internos)

-Temporizadores.

-Contadores.

-Otros registros de uso general.

Las variables contenidas en la memoria interna pueden ser consultadas y

modificadas continuamente por el programa, cualquier número de veces. Esta

actualización continua de los datos obliga a construir la memoria con dispositivos

RAM.

El área de memoria imagen almacena las últimas señales leídas en la entrada y

enviadas a la salida, actualizándose tras cada ejecución completa del programa.

Después de ejecutar el programa, la CPU ordena el intercambio de señales entre

las interfaces E/S y la memoria imagen, de manera que mientras dura la ejecución, los

estados de las señales de entrada considerados para el cálculo no son los actuales de

planta, sino los presentes en la memoria imagen leídos en el ciclo anterior.

De la misma manera, los resultados obtenidos en el cálculo no van directamente

a la interfaz de salidas sino a la memoria imagen, discurre así:

-Antes de comenzar la ejecución, la CPU consulta los estados de las señales en la

interfaz de entradas y carga con ellos la memoria imagen de entradas (figuras 2.5 a)

-Durante la ejecución, la CPU, y bajo control del programa de usuario, realiza los

cálculos a partir de los datos en la memoria imagen y del estado de los temporizadores,

contadores y reles internos. El resultado de estos cálculos queda depositado en la

memoria imagen de salidas (fig. 2.5 b).

-Finalizada la ejecución, la CPU trasfiere a las interfaces de salida los estados de las

señales contenidos en la memoria imagen de salidas, quedando el sistema preparado

para comenzar un nuevo ciclo (figura 2.5 c).

La secuencia real en el autómata no es exactamente la indicada, ya que para

optimizar los tiempos de acceso a las interfaces, los procesos de lectura de entradas y

escritura de salidas se efectúan consecutivamente, según muestra la figura 2.6

Figura 2.5 Acceso a las memorias imagen de entradas y salidas.

Figura 2.6 Secuencia de ejecución del programa

Las posiciones de la memoria imagen son denominadas puntos E/S “I/O points”,

y su número es variable dependiendo del modelo de autómata y de la configuración del

sistema. Precisamente, una clasificación frecuente de autómatas hace referencia al

número de puntos E/S que la CPU puede manejar. Así, se habla de autómatas de gama.

-Baja, con E/S < 256

-Mediana, con 256 ≤ E/S ≤ 1024

-Alta, con E/S ≥ 1024.

El resto de la memoria interna, excluyendo estas memorias imagen, se utiliza, en

general, como memoria de datos, relés internos y registro internos. Entre estos últimos

se encuentran algunos de tipo singular como los temporizadores y contadores.

Los relés internos ocupan posiciones RAM de 1 bit, y son utilizados como área

de datos temporales, como salida de resultados de operaciones intermedias, y para

controlar otros bits o registros, temporizadores y contadores. Estos relés internos no está

asociados a ningún borne, por lo que no pueden controlar cargas externas si no son antes

transferidos a un punto E/S.

Algunas posiciones correspondientes a relés internos están mantenidas por

batería y protegidas contra pérdidas de tensión. Las direcciones correspondientes a estos

relés protegidos (<<holding relays>>) están claramente especificadas en los catálogos

del fabricante.

Los relees auxiliares/especiales se colocan también sobre posiciones de 1 bit y

guardan señales del sistema, como relojes (en diferentes bases de tiempo), bits de

control, flags de estados de la CPU, e información sobre el autómata (Run, Stop, Halt,

errores, etc.).

Estos relés pueden consultarse y utilizarse desde el programa de usuario, para

sincronizar el funcionamiento, responder de forma automática a las variaciones de

estado en el autómata, etc.

El área de temporizadores y contadores ocupa posiciones de 16 o más bits,

capaces de almacenar los valores de estos elementos, valores que normalmente se

presentan al usuario bajo codificación BCD entre 0000 y 9999.

El área de registros internos se utiliza para almacenar y manipular palabras de

datos y valores numéricos y es únicamente accesible en unidades de byte o de palabra,

por medio de instrucciones aritméticas y de manipulación de datos.

Esta área contiene también los valores de los registros de desplazamiento, que

pueden ser leídos como palabras, o posición a posición (bit a bit).

La mayoría de autómatas permite mantener la información de registros,

incluyendo temporizadores y contadores, protegida contra pérdidas de tensión,

protegida contra pérdidas de tensión, de forma análoga a la comentada para relés

internos. Esta protección se realiza bien de forma automática, bien programada la

opción sobre algunos relés especiales.

2.3.2 Memoria de Programa

La memoria de programa, normalmente externa y enchufable a la CPU,

almacena el programa escrito por el usuario para su aplicación. Adicionalmente puede

contener datos alfanuméricos y textos variables, y también información parametrizada

sobre el sistema, por ejemplo nombre o identificador del programa escrito, indicaciones

sobre la configuración de E/S o sobre la red de autómatas, si existe, etc.

Cada instrucción del usuario ocupa un paso o dirección del programa y necesita,

normalmente, para ser almacenada, dos posiciones de memoria de semiconductor (dos

bytes). La capacidad total del programa de usuario depende del tipo de CPU utilizada, y

puede oscilar entre los 1 k pasos de un autómata compacto hasta algún centenar de

instrucciones en un autómata de gama alta.

Las memorias de usuario son siempre de tipo permanente RAM + batería o

EPROM/EEPROM. Por lo general, todos los fabricantes de autómatas ofrecen la

posibilidad de utilizar memorias RAM con batería para la fase de desarrollo y

depuración de los programas, y de pasar estos a memorias no volátiles EPROM o

EEPROM una vez finalizada esta fase.

Estas memorias no volátiles se suministran como cartuchos enchufables al

autómata “memory packs” en el zócalo previsto sobre la CPU, o como tarjetas de

memoria a conectar en el bastidor, ocupando una posición del mismo.

La ejecución del programa en el módulo es siempre prioritaria, de forma que se

da tensión al autómata con un módulo concertado, la CPU ejecuta su programa y no el

contenido en memoria RAM interna.

La transferencia del programa a los módulos de memoria (grabación) se realiza

bajo control de la unidad de programación, y puede hacerse sobre el autómata o sobre la

misma unidad de programación, según el modelo considerado.

El conjunto de direcciones correspondientes a todas las posiciones de memoria

que puede direccionar la CPU, es decir, de toda la memoria de trabajo, se denomina en

el autómata mapa de memoria.

La longitud de este mapa de memoria depende de tres factores:

-La capacidad de direccionamiento de la CPU, que determina el número de direcciones

asignadas a los dispositivos internos.

-El numero de entradas/salidas conectadas, que determina la longitud de la memoria

imagen E/S.

-La longitud de la memoria de usuario utilizada.

Dada una CPU concreta, la longitud total del mapa de memoria esta siempre

limitada a un determinado valor.

La figura 2.7 muestra la estructura típica de la memoria de trabajo de un

autómata, y los mapas de memoria resultantes para dos autómatas tomados como

ejemplo: el micro autómata compacto de bajo coste IZUMI MICRO-1 y el gran

autómata modular de procesos SIEMENS S5-155U.

Figura 2.7 Estructura típica de un mapa de memoria y ejemplos

2.4 INTERFACES DE ENTRADA Y SALIDA

Las interfaces de entrada y salida establecen la comunicación entre la unidad

central y el proceso, filtrando, adaptando y codificando de forma comprensible para

dicha unidad las señales procedentes de los elementos de entrada, y decodificando y

amplificando las señales generadas durante la ejecución del programa antes de enviarlas

a los elementos de salida.

Dada la enorme cantidad de variantes que pueden presentarse en las señales de

proceso, es evidente que deberá existir también un gran número de tipos de interfaces,

tanto de entradas como de salidas.

Estas interfaces pueden clasificarse de diferentes formas, según se muestra a

continuación.

* Por el tipo de señales:

- Digitales de 1 bit.

- Digitales de varios bits.

- Analógicas.

* Por la tensión de alimentación:

- De corriente continua (estáticas de 24/110 Vcc)

- De corriente continua a colector abierto. (PNP o NPN).

- De corriente alterna (60/110/220 V ca).

- Salidas por relé (libres de tensión).

● Por el aislamiento:

- Con separación galvánica (opto-acopladores).

- Con acoplamiento directo.

● Por la forma de comunicación con la unidad central:

- Comunicación serie

- Comunicación paralelo.

● Por la ubicación:

- Locales

- Remotos.

En la gama de pequeños autómatas, el tipo de interfaces disponibles suele ser más

limitado, siendo las más frecuentes, clasificadas por entradas y salidas, las siguientes:

Entradas:

-Corrientes continúa a 24 o 48 vcc.

-Corriente alterna a 110 o 220 Vca.

-Analógicas de 0-10 Vcc o 4-20 mA.

Salidas:

-Por relé.

Estáticas por triac a 220 Vca máximo.

-Colector abierto para 24 o 48 Vcc.

-Analógicas de 0-10 V o 4-20 mA.

En la gama de autómatas modulares, construidos generalmente sobre un rack

que permite la ampliación con distintas tarjetas de interfaz, las posibilidades son

mayores, llegando hasta la conexión directa de diversos tipos de transductores y

periféricos.

2.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN

La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el

funcionamiento de los distintos circuitos del sistema.

Un autómata programable está formado por bloques que requieren niveles de

tensión y de potencia diferentes y que, además, están sometidos a condiciones

ambientales de ruido electromagnético también distintas.

Por todo ello es frecuente que la alimentación se obtenga de varias fuentes

separadas, procurando independizar las siguientes partes del circuito:

-Unidad central e interfaces E/S (alimentación autómata).

-Alimentación de entradas.

Alimentación de salidas (cargas) de tipo electromagnético.

Esta división, salvo en pequeños compactos, suele mantenerse en todos los

autómatas, que necesitan al menos de dos fuentes de alimentación independientes:

-Alimentación del autómata (CPU, memorias e interfaces).

-Alimentación de los emisores de señal y de los actuadotes de salida.

La alimentación a la CPU puede ser de continua a 24 vcc, tensión muy

frecuente en cuadros de distribución, o en alterna a 110/220 Vca. En cualquier caso, la

propia CPU alimenta las interfaces conectadas a través del bus interno.

La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse, según tipos, en alterna a

48/110/220 Vca, o en continua a 12/24/48 Vcc.

La fuente de alimentación del autómata puede incorporar una batería tampón,

que se utiliza para el mantenimiento de algunas posiciones internas (relés o registros) y

del programa de usuario en memoria RAM, cuando falla la alimentación o se

desconecta el autómata. La capacidad de esta batería, normalmente a 3,5 V, oscila entre

los 1500 m Ah y 1 año de vida para las más pequeñas utilizadas en los autómatas

compactos, y los 5000 m Ah y 10 años de vida en las necesarias en autómatas

modulares de gama alta.

El estado de la batería está monitorizado sobre un diodo LED en la fuente de

alimentación, que parpadea o se apaga en caso de defecto o ausencia de la misma.

Los autómatas compactos suelen disponer de una salida de tensión a 24 Vcc de

baja potencia, para alimentación directa de sensores actuadores, aunque la carga que

puede soportar es muy reducida, del orden de décimas de amperio.

La figura 2.8 muestra dos alternativas extremas de alimentación a un sistema de

autómata y unidad de expansión de entradas/salidas locales (unidas por el bus interno),

con sus emisores y actuadores:

-En el primer caso, una única fuente (figura 2.8 a) incorporada en el autómata alimenta

a la CPU con sus interfaces de entrada y salida y a los sensores y actuadores del

sistema.

La tensión de alimentación a los circuitos internos de la unidad de expansión llega a ella

a través del bus interno.

-En el segundo ejemplo (fig. 2.8 b), el sistema utiliza varias fuentes de alimentación

diferentes:

-La propia del autómata, interna o externa a el.

-La auxiliar para alimentación de la unidad E/S.

-Fuente de alimentación CC para actuadores de salida.

-Fuente de alimentación CA para actuadores de salida.

Figura 2.8 a y b ejemplos de conexiones de alimentación.

Es frecuente, en sistemas modulares como el que se presenta en la figura 4.8b,

que la propia fuente de alimentación de la CPU o del bastidor de expansión proporcione

directamente una salida auxiliar a 24 Vcc, con nivel de potencia suficiente para

alimentación de sensores: en el ejemplo, se utiliza esta fuente auxiliar para alimentación

de los interruptores de entrada.

En ambos casos, y así ocurre en general, la alimentación a la CPU proporciona

además la tensión de funcionamiento de la unidad portátil de programación, concertada

a ella directamente sobre un zócalo o a través de un cable.

La elección de uno u otro esquema de alimentación para un sistema de autómata

dependen fundamentalmente de las características de sus entradas y salidas:

Tabla 2.1 Características nominales de fuentes de alimentación

TENSION DE

ENTRADA (V) 100/240 AC

100/120 AC

200/240 AC

24 DC

100/120 AC

200/240 AC

TENSION DE

SALIDA (V) 12 DC 12 DC 12 DC 24 DC

CORRIENTE

NOMINAL

DE SALIDA (A)

1,25 2,00 1,70 1,00

FRECUENCIA 50/60 HZ 50/60 HZ -- 50/60 HZ

PROTECCION

SOBRECORRIENTE SI SI SI SI

APLICACIONES CPU + E/S CPU + E/S CPU + E/S CPU + E/S

-Niveles de potencia necesarios para la aplicación.

-Compatibilidad entre la tensión auxiliar suministrada por el autómata y las necesarias

en el sistema de E/S.

-Funcionamiento o no de sensores y cargas a igual tensión de alimentación.

-Necesidad de aislamiento galvánico en el sistema de E/S.

Los fabricantes proporcionan, sobre todo en sistemas modulares tipo rack,

módulos de alimentación con diferentes tensiones de salida y niveles de potencia

suficientes, en general, para cubrir cualquier necesidad de alimentación.

Los fabricantes proporcionan, sobre todo en sistemas modulares tipo rack,

módulos de alimentación con diferentes tensiones de salida y niveles de potencia

suficientes, en general, para cubrir cualquier necesidad de alimentación.

La tabla 2.1 muestra por ejemplo, los módulos de alimentación disponibles para la serie

de autómatas FA3S de IZUMI.

Los módulos de salida a 12 VCC están previos para alimentación de la CPU y

las interfaces E/S conectadas en el bastidor, así como para la unidad de programación,

cuando se utilice. La elección de uno u otro depende de la tensión de entrada disponible,

y del número de interfaces conectadas, que determina la carga total de corriente. Si esta

carga resulta elevada pueden conectarse varios módulos en paralelo.

Aunque, en general, cualquiera de estos módulos puede utilizarse para

alimentación de sensores y actuadores de entrada y salida, existe uno específico, con

tensión de salida a 24 Vcc, para esta aplicación.

RESUMEN

El autómata es una máquina industrial programable basada en un sistema de

microprocesador, con un hardware estándar y un software incorporado que permite la

ejecución de programas de usuario, escritos en algún lenguaje de programación.

Como en todo sistema microprocesador, en el autómata se identifican cuatro bloques

básicos diferenciados:

-CPU, o unidad central de proceso.

-Memoria interna de trabajo (RAM).

-Memoria de programa (RAM, EPROM, EEPROM).

-Interfaces E/S.

En particular, las interfaces E/S están especialmente diseñadas para interconectar

el autómata con procesos industriales, disponiéndose de variados tipos, habida cuenta la

diversidad de formas que pueden adoptar las señales procedentes o necesarias en

aquellos:

Vcc,

-Tensiones continuas 12/24/48 Vcc

-Tensiones alternas 110/220 Vca,

-Pulsos de montaje rápido 0/5 Vcc, 0/24Vcc,

-Señales analógicas en tensión o corriente, etc.

En la mayoría de sistemas PLC el número (hasta la capacidad soportada por la

CPU), tipo y ubicación de estas interfaces es decidido por el usuario, que adapta así la

máquina, junto con las ordenes definida, en su programa, a las necesidades de su

aplicación.