at ti ióautomatización e instrumentación industrial

A t ti ióAutomatización e Instrumentación Industrial

Tema 3.Tema 3.

Autómatas programables

Juan Ríos GutiérrezJuan Ríos Gutiérrez

[email protected]

Universidad de Huelva. Dpto. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática

Índice

1. Definición y revisión histórica

2. Características generales2. Características generales

3. Aquitectura de los autómatas programables

4. Sistemas de cableado

5. Ciclo de programap g

6. Estructura multitarea

7 S id d fi bilid d tó t bl7. Seguridad y confiabilidad en autómatas programables

2 Universidad de Huelva. Dpto. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática

Índice









Definición y revisión histórica

Antecedentes históricos

Definición de autómata:Instrumento o aparato que encierra dentro de sí el mecanismo que le imprimedeterminados movimientos.Máquina que imita la figura y los movimientos de un ser animado.

L i tó t i i á i d llLos primeros autómatas son ingenios mecánicos que desarrollan unprograma fijo.

Etiopía, 1.500 a.C.: Estatua que emite sonidos cuando la ilumina losrayos del sol al amanecer.y

China, 500 a.C.: King-su Tse inventa una urraca voladora y un


China, 500 a.C.: King su Tse inventa una urraca voladora y uncaballo que saltaba.



Herón (ingeniero y matemático griego,siglo I d.C.):

Desarrolla Autómatas como aves que vuelanDesarrolla Autómatas como aves que vuelan,gorjean y beben. Juguetes, sin interés porencontrarles aplicación.También inventa algunos dispositivos como unmolino de viento para accionar un órgano o unprecursor de la turbina de vapor.

También se diseñaron ingeniosos mecanismos como la máquina defuego que abría puertas de los templos o altares mágicos donde lasfi b l f d l llfiguras apagaban el fuego de la llama.

En Roma existía la costumbre de hacer funcionar juguetesautomáticos para deleitar a los huéspedes


automáticos para deleitar a los huéspedes.



La cultura árabe, heredó y difundió los conocimientos griegos,utilizándolos también en aplicaciones prácticas, introduciéndolos en lavida cotidiana de la realeza. Ejemplos de estos son diversos sistemas

En 1354 se construyó el famoso reloj de

j pdispensadores automáticos de agua para beber o lavarse.

En 1354 se construyó el famoso reloj deEstrasburgo (Suiza).

Era un reloj en forma de ave hecho deEra un reloj en forma de ave hecho demetal que podía abrir el pico, sacar lalengua, cantar, extender sus plumas ymover sus alasmover sus alas.

Este es el autómata más antiguo que seconserva en la actualidad.


conserva en la actualidad.



En el Renacimiento se redescubren los objetos descritos ydesarrollados por los griegos.

Es conocido el León Mecánico construido por Leonardo Da VinciEs conocido el León Mecánico construido por Leonardo Da Vinci(1452-1519) que se abría el pecho con su garra y mostraba el escudode armas del rey.

Durante los siglos XVII y XVIII se crearon ingenios mecánicos paraentretener a las gentes de la corte y servir de atracción a las ferias.

En 1649 un artesano llamado Camus (1576-1626) construyó un cocheen miniatura con sus caballos, sus lacayos y una dama dentro y todaslas figuras se podían mover perfectamente.las figuras se podían mover perfectamente.

Según P. Labat, el general de Gennes construyó en 1688 un pavo realque caminaba y comía.




Jacques de Vaucanson (1709-1782)t ó t á iconstruyó un pato mecánico.

El pato alargaba su cuello para tomar elgrano de la mano y luego lo tragaba y lograno de la mano y luego lo tragaba y lodigería.

Podía beber, chapotear y graznar, y, p y g , ytambién imitaba los gestos que hace unpato cuando traga con precipitación.



Actualidad

IEC: Comisión Electrotécnica Internacional. Organismo deestandarización.

IEC 1131: Estándar para autómatas programables y sus periféricos.

Definición IEC 1131:Un autómata programable (AP) es un sistema electrónico programable diseñadopara ser utilizado en un entorno industrial, que utiliza una memoria programablepara el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario, paraimplanta nas sol ciones específicas tales como f nciones lógicas sec enciaimplantar unas soluciones específicas tales como funciones lógicas, secuencia,temporización, recuento y funciones aritméticas con el fin de controlar medianteentradas y salidas, digitales y analógicas diversos tipos de máquinas o procesos.



Actualidad

Con anterioridad a los PLCs, se utilizaban controladores basados enrelés electromecánicos, contadores, temporizadores, etc.

Hacia mitad de los 60s Richard Morley desarrolla una compañíaque sustituye el control relé por microcomputadores.

E d 1968 f li l i ifi i d lEn enero de 1968 formaliza las primeras especificaciones delprimer PLC. El objetivo es superar las limitaciones de loscomputadores convencionales:

Procesamiento en tiempo real.Composición modular.Programación basada en LADDER.g

El primer controlador fabricado con estas especificaciones fue elMODICON MODEL 084 (MOdular DIgital CONtroller). 084 se debe a

f l d t 84 d l fi


que fue el producto 84 de la firma.


Actualidad

El mismo año en el que Morley inventa el PLC, GM desarrolló unconjunto de especificaciones para sustituir control-relé. Losrequerimientos incluyen:requerimientos incluyen:

El dispositivo debe ser programable y reprogramable.Debe poder operar en ambientes industriales.

ó áAceptar alimentación estándar.Las salidas deben ser capaces de operar con cargas tales como motores o relés.Precios competitivos con el control-relé.

Otras compañías desarrollaron PLCs siguiendo estasespecificaciones.



Actualidad

Las capacidades de los primeros PLCs eran similares al control relé.

Las siguientes mejoras consistieron la interface con los operadores,g j p ,capacidades aritméticas, manipulación de datos y comunicacionescon computadores.

A i ió ó l id d d i i l óA continuación se aumentó la cantidad de memoria, se incluyócontrol analógico y sistemas de entrada/salida remotas. La mayoríade estas mejoras se debieron a la aparición del microprocesador.

Hacia la mitad de los 80s se introdujo el microPLC, con un preciomuy competitivo.



Actualidad

Ventajas de los PLCs sobre control-relé:

Facilidad de programación del PLC frente el cableado de un panel de relés.Capacidad para cambiar el programa o reprogramación frente a situaciones derecableado o rediseño.Ahorro de espacio físico respecto a los paneles de relés.Conectividad sencilla con computadores.Proporciona mayor variedad de funciones de control.p y


Índice










Características generales

Existen PLCs con características muy diversas, lo que posibilita quepueda encontrarse un PLC acorde con cada aplicación.

Las características principales que definen a un autómataprogramable se refieren a:

Características de la unidad central.Capacidad de memoria, e/s digitales, temporización y cuenta.Modularidad.Disponibilidad de módulos específicos.Interfaces máquina/usuario.Recursos de comunicación.Protección de la propiedad intelectual y seguridad.Programación.


g


Características de la unidad central

Unidad central:

Subsistema formado por microprocesador, lasunidades de memoria y un procesador decomunicaciones.Los fabricantes dividen sus unidades en familiasen función de la velocidad de las unidades.Gama baja (S7-200), gama media (S7-300) y

lt (S7 400) Ej l Si

PLCs SIEMENS

gama alta (S7-400). Ejemplo Siemens.Otras nomenclaturas: Miniautómatas (PLCsmedianos), microautómatas (PLCs pequeños) ynanoautómatas (micro PLCs)

M340TSX Micro

nanoautómatas (micro PLCs).Se asocia a otros conceptos, comomodularidad, capacidad y recursos en general.

Premium TSX 57


Premium TSX 57

PLCs TELEMECANIQUE MODICON


Capacidades

Capacidad de memoria de programas/datos:Número de posiciones de las memoria. Algunos autómatas tienen una cantidadfija en otros puede ampliarse En este último caso hay dos valores a tener enfija, en otros puede ampliarse. En este último caso hay dos valores a tener encuenta: la memoria que tiene el autómata y la máxima que puede gestionar.Según el modelo la capacidad puede variar desde pocos K octetos a varios Goctetos.

Capacidad de entradas/salidas:Número máximo de entradas y salidas digitales que posee o pueden ser

ti d l tó t C t d d l id dgestionadas por el autómata. Concepto de modularidad.Puede variar entre números pequeños (menos de 10) hasta cientos de miles enlos PLCs de gama alta.

Capacidad de temporización y cuenta:Número de temporizadores y contadores internos y sus características.



Modularidad

Modularidad: Capacidad de un sistema paraampliar sus prestaciones añadiendo elementos sinnecesidad de modificar los existentesnecesidad de modificar los existentes.

En los autómatas se refiere principalmente a lacapacidad de elevar el número de entradas y SIMATIC CPU 312 capacidad de elevar el número de entradas ysalidas digitales y analógicas así como de añadirmódulos especiales.

Clasificación:Totalmente modulares: PLCs cuya unidad centralcarece de entradas y salidas. Por tanto para cualquier MÓDULO DE E/S

aplicación es necesario añadir módulos de E/S. Cadamódulo de E/S puede llevar incorporado un procesador decomunicaciones que facilita su interconexión



Modularidad

Clasificación:

Semimodulares: PLCs cuya unidad central incorporaentradas y salidas (principalmente digitales) y capacidadde ampliar dicho número mediante módulos.

Compactos o no modulares: Se incluye en un solodispositivo todos los elementos de un autómata

bl i l i li d di l l

SIMATIC CPU 224

programable incluso un visualizador o display y elmecanismo de programación. Se disminuye al máximo elcoste del sistema físico a costa de limitar su campo deaplicación.ap a ó

SIEMENS 230RC LOGO!



Disponibilidad de módulos específicos

Son elementos acoplables al autómata para realizar funciones noincluidas en su configuración básica o para realizar operaciones deforma más eficiente que si se realizaran por softwareforma más eficiente que si se realizaran por software.

Los más usuales:Módulos de entradas analógicas Algunos realizan funciones especiales:Módulos de entradas analógicas. Algunos realizan funciones especiales:

Lee entrada analógica y la digitaliza.Compara el valor obtenido con uno memorizado y activa o desactiva una variable binariasegún el resultado.

Contadores de alta velocidad. Cuentan impulsos de alta frecuencia. (Encoders).Módulos específicos con acondicionamiento de señal para determinadossensores:

00PT100.Termotares.…



Interfaces máquina/usuario

En ciertas aplicaciones el usuario del sistemaautomatizado debe ser capaz de modificarparámetros observar variables etcparámetros, observar variables, etc.

A algunos autómatas se les puede acoplar unperiférico para la comunicación entre el usuario yperiférico para la comunicación entre el usuario yla máquina. Se le denomina HMI (HumanMachine Interface) o MMI (Man MachineInterface) Varias opciones: HMIs TelemecaniqueInterface). Varias opciones:

Paneles de operación (OP Operation Panels).Pantalla gráfica y teclado de pulsadores de membrana.Paneles táctiles (TP Touch Panel) Pantalla gráfica que

HMIs Telemecanique

Paneles táctiles (TP Touch Panel). Pantalla gráfica queposee elementos sensibles al tacto. La pantalla realiza lafunción de entrada/salida.Autómata programable completo. Unión de autómata


p g pprogramable y unidad HMI en una sola carcasa.

Familia C7 Siemens


Comunicaciones y protección

Recursos de comunicación:La comunicaciones en los autómatas programables se han desarrollado a lo largode los 90s con el fin de asegurar su integración en la pirámide de la fabricaciónde los 90s con el fin de asegurar su integración en la pirámide de la fabricaciónintegrada por computador (CIM). Numerosas posibilidades: RS-232, RS-485,USB, Ethernet, Profibus, …

Protección de la propiedad intelectual y seguridad:P.P.I: Medidas adoptadas para que personal no autorizado no pueda leer suprograma.Seguridad: Capacidad el autómata programable para impedir que agentesexternos no autorizados puedan producir averías en una instalación mediante lamanipulación del programa de controlmanipulación del programa de control.Claves con niveles de acceso: Acceso libre, solo lectura o bloqueo total.Los autómatas tienen recursos que lo convierten en seguros ante averías.Chequeos, whatch dog, modos de rearranque, configuración de valores seguros


Chequeos, whatch dog, modos de rearranque, configuración de valores segurosde salidas, … Los distintos modelos tienen distintos recursos.


Programación

Lenguajes de programación:Lenguajes literales:

Lista de finciones (AWL)Lista de finciones (AWL).Lenguajes de alto nivel.

Lenguajes gráficos:Bloques de funcionesBloques de funciones.Diagrama de contacto (LADDER).Graphcet (diagramas estado-transición).

Métodos de programación:Consolas de programación.é óTérminales de programación de altas prestaciones (PC).

Botones de programación incluido en el propio autómata (Autómatas de pocasprestaciones, p.e. LOGO!).


Índice









Arquitectura de los autómatas programables

MEMORIA DE PROGRAMA

SISTEMAS EXTERNOS

MEMORIA DE PROGRAMA EJECUTIVO

MEMORIA DE DATOS Y

ESTADO E/S

MEMORIA DE PROGRAMA DE

CONTROL

PROCESADORES DE COMUNICACIONES

MICROPROCESADOR

UNIDAD DE SALIDAS

DIGITALES

UNIDAD DE ENTRADAS DIGITALES

UNIDAD DE E/S

ANALÓGICAS

UNIDAD DE E/S

ESPECIALESDIGITALES DIGITALES ANALÓGICAS ESPECIALES



Microprocesador

Está compuesto por la Unidad de Control y la Unidad AritméticoLógica.

En su funcionamiento básico es el encargado de:Leer las entradas del autómata programable.Ejecutar el programa guardado en memoria.Ejecutar el programa guardado en memoria.Escribir en las salidas del autómata los valores obtenidos.

La velocidad de procesamiento depende principalmente de lavelocidad del generador de ciclos de reloj que lleva asociado.

Los nuevos autómatas programables pueden incluir más de unmicroprocesador para aumentar la capacidad de procesamientomicroprocesador para aumentar la capacidad de procesamiento.



Memoria

Desde la aparición de las primeras memorias, se han desarrolladodiferentes tipos:

RAM. Memorias de lectura y escritura volátiles. Tiempo de lectura o escritura decualquier posición es el mismo. El resto de memorias tienen un tiempo mayor deq p p yescritura o no se pueden reprogramar.ROM. Memoria de sólo lectura cuyo contenido es fijado por el fabricante y nopuede ser variado por el usuario.EPROM. Memorias de solo lectura programables eléctricamente. Memorias novolátiles que pueden ser borradas mediante rayos ultravioleta. Incluyen unaventana para ello.EEPROM Memorias de solo lectura programables y borrables eléctricamenteEEPROM. Memorias de solo lectura programables y borrables eléctricamente.Estas memorias se graban posición a posición.FLASH. Memoria de solo lectura grabable por bloques. Mayor velocidad ydensidad de integración que las EEPROM


densidad de integración que las EEPROM.


Memoria

Los fabricantes han optado por incluir memorias no volátiles en losautómatas programables construidas de diversas formas:

RAM+BATERÍA. La batería proporciona la energía cuando falla la alimentaciónprincipal.p pEPROM.RAM+EEPROM. Cuando se detecta una caída de tensión se transfiere elcontenido de la RAM a la EEPROM. Cuando se vuelve a aplicar tensión, lainformación fluye en sentido contrario. Se la denomina NOVRAM.FLASH.RAM+FLASH. Con un funcionamiento parecido a la RAM+EEPROM.



Memoria

Organización de la memoria:Memoria

del

Programa ejecutivo

M iMemoria del sistema:

Memoria de programa ejecutivo o monitor. ROM, EPROM,EEPROM o FLASH.

sistema Memoria temporal

Programa de controlMemoria temporal. RAM.

Memoria de usuario:P og ama de cont ol No olátil p og amable

Memoria de

control

Memoria de E/S de

variables Programa de control. No volátil programable.Memoria de entrada/salidas de variables digitales. Imágenes deentradas y salidas. RAM.Memoria de variables internas. Marcas y otras variables del

de usuario digitales

Memoria de variables internas

ysistema como estado de contadores o temporizadores. RAM.Memoria de datos numéricos. para entrada/salida de variablesanalógicas y datos numéricos del programa de control. RAM.

internas

Memoria de datos

numéricos



Memoria

Memoria de programa ejecutivo o monitor:

Es el equivalente al Sistema Operativo de un Ordenador Personal.Las tareas son: Cargar el programa de control desde una unidad deprogramación externa, ejecución del ciclo del autómata, Test de funcionamientode los elementos internos del autómata, gestión de comunicaciones, etc.El contenido de esta memoria es fijado por el fabricante y no tiene que sermodificado por el usuario normalmente.EEPROM o FLASH si se quiere que el usuario pueda actualizar sin necesidad deextraer. Firmware.



Memoria

Memoria de programa de control:

Programa diseñado por el usuario.Se genera en una unidad de programación y se transfiere a la memoria delautómata.Se debe permitir la modificación de este programa tanto en la puesta a puntodel sistema como en su vida útil.No se debe perder ante la caída de la alimentación.Se suele utilizar para su implementación RAM+BATERÍA o bien RAM+FLASH.



Memoria

Memoria de datos y estado de E/S:

Variables o marcas de un bit.Imagen del estado de los bits de E/S.Palabras de n bits asociadas a bloques: contadores, temporizadores, registros dePalabras de n bits asociadas a bloques: contadores, temporizadores, registros deuso especial, datos de usuario, etc.



Unidades de entrada/salida

Los autómatas poseen entradas y salidas de diversa índole parainteractuar con su entorno.

Internamente, los valores en los terminales de entrada/salidatienen reflejo en posiciones de memoria.

L id d d d lid li d ió lLas unidades de entrada salida realizan una adaptación entre losvalores en los terminales y los valores lógicos contenidos en lasposiciones de memoria correspondiente.

Las unidades de entrada/salida pueden ser:Unidades de entradas digitales.U id d d lid di it lUnidades de salidas digitales.Unidades de entradas analógicas.Unidades de salidas analógicas.



Unidades de entradas digitales

Se utilizan para conectar los sensores todo-nada.

La interface del autómata se encarga de convertir la señal degentrada en un bit interno.

Cada ciclo máquina se leen los bits de entrada y se vuelcan aimemoria.

Normalmente las entradas digitales trabajan con señales detensión Hay diversos estándares:tensión. Hay diversos estándares:

5 V, 24 V y 48 V, en CC.110 V y 220 V, en AC.

La más utilizada es 24V. Garantiza la llegada de la señal en cablesde cierta longitud y buena relación señal ruido.



Unidades de entradas digitales

Estructura:

Etapa 1: Protección ante sobretensiones e inversiones de polaridad. Rectificaciónsi la señal es de C.A.Etapa 2: Filtrado para eliminación de ruidos. Posiblemente programable. Filtradoelimina pulsos de altas frecuencias (pulsos de un encoder). Para este tipo deseñales existen entradas especiales.Etapa 3: Adecuación a una forma de onda digital.Etapa 4: Aislamiento galvánico o mediante optoacoplador del sistema dememoria y el sistema de E/S.

MEMORIA

AISLAMIENTO PUESTA EN FILTRADO PROTECCIÓN


AISLAMIENTO PUESTA ENFORMA

FILTRADO PROTECCIÓN


Unidades de salidas digitales

Usadas por el PLC para definir el comportamiento de los actuadoresbinarios.

Al final de cada ciclo máquina se leen de la memoria los bits deimagen de salida y se vuelcan a la salida física.

P i i l iPrincipalmente cuatro tipos:Salidas a relé.Salidas en tensión a 24 Vcc.Salidas con transistor a colector abierto.Salidas a triacs.

Las más utilizadas son las salidas a relé y en tensión a 24 VccLas más utilizadas son las salidas a relé y en tensión a 24 Vcc.



Unidades de salidas digitales a relé

Los valores binarios se convierten en apertura o cierre de un relé.

Uso muy general. Permite variedad de accionamientos con uny gmismo autómata.

Nivel de potencia mayor que ninguna otra opción.

Conmutación más lenta.

Menor ciclo de vida.

MEMORIA

AISLAMIENTOPUESTA EN

CIRCUITODE

MANDO

SALIDA A RELÉ


AISLAMIENTOPUESTA ENFORMA

SALIDA A RELÉ


Unidades de salidas digitales en tensión

Los valores binarios se convierten en presencia o no de voltaje (0-24V cc fundamentalmente).

Proporcionan una potencia limitada.

Conmutación más rápida.

Todas las cargas deben funcionar con ese nivel de tensión.

Necesidad de punto de masa común.



Unidades de salidas digitales a c. abierto

Los valores binarios conmutan a corte o saturación un transistorcuyo colector es accesible a través de la salida.

Proporcionan una potencia limitada.

Básicamente es el mismo principio de funcionamiento de las salidasá i ió l l d é d l ió d lestáticas en tensión pero el valor de ésta queda a elección del

usuario y puede ser distinta para cada salida.

Hay que añadir resistencia limitadora externaHay que añadir resistencia limitadora externa.



Unidades de salidas digitales a triacs

Los valores binarios conmutan a corte o conducción un triac.

Uso con cargas de corriente alterna que requieran conmutacióng q qrápida.

No proporcionan una potencia excesivamente elevada.



Unidades de entradas analógicas

Convierten cierta magnitud analógica (Tensión o corriente) en unnúmero digital que se guarda en una variable de memoria.

La precisión viene dada por la longitud de la variable, 12-16-24bits.

Di i l id d d 25 30Distintas velocidades de muestreo: 25ms - 30s.

Distintos rangos de entrada: -10..10V, 0..10V, 0..20mA, 4..20mA



Unidades de salidas analógicas

Convierten una variable de memoria en cierta magnitud física(Tensión o corriente).

Cumplen funciones de regulación y control de procesos continuos.

La precisión viene dada por la longitud de la variable, 12-16-24 bits.

Distintos rangos de salida: -10..10V, 0..10V, 0..20mA, 4..20mA


Índice









Sistemas de cableado

Definen la forma en que las entradas y salidas del autómata seconectan al sistema a controlar.

Deben adaptarse a diferentes situaciones de cantidad deentradas/salidas, modularidad, robustez, ruido, …

Di i iDistintas opciones:Cableado clásico.Sistemas de precableado.Entradas/salidas distribuidas.Buses de campo.


Sistemas de cableadoCableado clásico

Los sensores y los actuadores se cablean directamente hilo a hilo alautómata mediante borneros de tornillos.

Todo el cableado coincide en el mismo armario donde se encuentrael autómata.

L l d bl d bl d id lLa mezcla de cables puede provocar problemas de ruido en loscables de señal ocasionado por los cables de potencia.

Da lugar a longitudes excesivas de cable con los problemas deDa lugar a longitudes excesivas de cable, con los problemas decaídas de tensión e interferencias que ocasiona.


Sistemas de cableadoSistemas de precableado

Emplea conectores de alta densidad en elautómata y mangueras para conectar conmódulos remotosmódulos remotos.

Acoplamiento sencillo.

Cl id d R d ió d f llClaridad. Reducción de fallos.

Intercambio rápido de componentes.

Módulos de uso general (borneros) yespecíficos.

Si t i d bl t lSigue teniendo problemas en cuanto a lalongitud.


Sistemas de cableadoEntradas/salidas distribuidas

Usa módulos de entrada/salida situadas a lo largo de la/ ginstalación. Estos módulos incorporan también un módulo decomunicaciones mediante el que se establece la comunicación conel autómata.el autómata.

Se reduce el cableado de sensores y actuadores.


Sistemas de cableadoBuses de campo

El concepto de bus de campo aparece a finales de los 80.

Se reduce el cableado de sensores y actuadores.y

Permite ir más allá de la simple conexión de sensores o actuadoresclásicos, consigue la conexión de los denominados dispositivosi liinteligentes:

Controladores de robots.Variadores de velocidad de motores.Reguladores PID.Terminales de visualización.Ordenadores industriales…

Los buses de campo son estándares de comunicación digital paraentornos industriales.



Varios estándares:

AS-i: Bus muy simple para conectar sensores yactuadores básicos. Usa topología maestro – esclavo y laconfiguración de los esclavos se realiza desde el maestro

d l b l ll d l ll blusando el propio bus. Usa el llamado Flat Yellow Cable.Este cable incluye dos hilos que incorporanconjuntamente la señal de control y la tensión de 30 Vde alimentación.de alimentación.



Varios estándares:

CAN (Control Area Network): Desarrollado por Bosch para su uso en losautomóviles, reduciendo la cantidad de cables.Actualmente se usa como bus multimaestro para conectar dispositivos

l d d ( b éd )inteligentes de todo tipo (robots, ascensores, equipamiento médico…).Sólo define el protocolo hasta la capa 2 (física y de enlace), por lo que ha dadolugar a otros protocolos como DeviceNet y CAMOpen.DeviceNet: Impulsado por ALLEN Bradley en 1994 y basado en CAN se trataDeviceNet: Impulsado por ALLEN Bradley en 1994 y basado en CAN, se tratade una red de comunicaciones de bajo coste para conectar dispositivosindustriales.CANOpen: Se originó en 1993 a partir de CAN para el mundo de laOp o g ó 3 a pa d pa a u do d aautomoción. Sus ventajas principales son su simplicidad, alta fiabilidad detransmisión y tiempos de reacción extremadamente cortos.



Varios estándares:

Profibus (Process Field Bus): Estándar abierto, independiente de ningúnvendedor. Creado por el gobierno alemán junto con empresas del sector de laautomoción en 1989 es el estándar más aceptado a nivel mundial. Consta de

ftres formatos:

Profibus DP (Distributed Peripherials): Alta velocidad, precio económico,transferencia de pequeñas cantidades de datos Estructura maestro – esclavo clásicatransferencia de pequeñas cantidades de datos. Estructura maestro – esclavo clásica.Es el más difundido, se usa a nivel de campo o célula.Profibus PA (Process Automation): Igual que DP pero adaptado a ambientespeligrosos y con riesgo de explosión.

óProfibus FMS (Fiedlbus Message Specifications): De propósito general,supervisión y configuración. Es multimaestro. Se usa a nivel de planta o célula.



Varios estándares:

Interbus: Se originó en 1984 y está muy aceptado en todo el mundo. Tieneuna respuesta rápida y usa eficientemente su ancho de banda. Incorpora laalimentación para dispositivos de entrada.Ethernet: Fruto de la colaboración entre Digital Equipment Corporation, Intel yXerox en 1976. Hay diferentes versiones: 10base-T (10 Mbit/s), Fast Ethernet(100 Mbit/s), Gigabit Ethernet (1000 Mbit/s).

Es el estándar de red más reconocido internacionalmente.Puede tratar con grandes cantidades de información a muy alta velocidad y sirve parainstalaciones muy grandes.y gNo es eficiente para poca información.No incorpora alimentación.Los conectores RJ-45 son físicamente vulnerables.


Existe una especificación apta para ambiente industrial: Industrial Ethernet.


El futuro:

Las tendencias para el futuro parecen ser las tecnologías inalámbricas(wireless). Entre los estándares que ya están evolucionando se encuentran:

Wi-Fi.Bluetooth.UWB (Ultrawideband).

Estas tecnologías permitirán velocidades de transferencia de información altas,con volúmenes de información elevados y sin problemas de espacio nicon volúmenes de información elevados y sin problemas de espacio niinterferencias.


Índice









Ciclo de programa

Esquema de ejecución de programa muyd f l d d d l

Operaciones d G tiódiferente a la de un ordenador personal.

En modo RUN se ejecutan los cuatro pasos.

de Gestión del Sistemas

En modo STOP sólo se ejecutan los dosprimeros.

Lecturas de las entradas

Ejecución delprograma del

autómata

Escriturade las salidas


Ciclo de programaFases del ciclo

Operaciones de Gestión de Sistema:Tratamiento de las informaciones y bits del sistema.Tratamiento de peticiones y llamadas desde el terminal deprogramación.Envío de mensajes al terminal.

Operaciones de Gestión

del Sistemas

Lectura del estado de las entradas:Lectura registros intermedio de módulos entrada


Ejecución delprograma delLectura registros intermedio de módulos entrada.

Volcado a la memoria de imagen de entrada.Los módulos de entrada son los responsables de conversión de voltiosa información binaria y almacenamiento en registros intermedios.

programa del autómata


a información binaria y almacenamiento en registros intermedios.



Ejecución del programa de autómata:Ejecución empezando por la primera instrucción y avanzando

i l h l úl isecuencialmente hasta la última.E/S se toman de la memoria de imágenes.No se consideran variaciones en las entradas.


del Sistemas

El estado de contadores, temporizadores, etc se toma de suscorrespondientes registros internos.Al finalizar la ejecución de la última instrucción se escriben losresultados sobre los temporizadores contadores y memoria de


Ejecución delprograma delresultados sobre los temporizadores, contadores y memoria de

imágenes.El programa de autómata puede incluir subrutinas o subprogramas.

programa del autómata




Escritura de las salidas:Se transfiere la memoria de imágenes de salida a las salidas.La UCP transfiere el valor a registros de los módulos de salida.Los módulos de salida convierten el valor en apertura o cierre de reléso voltaje.

ú


del Sistemas

Si en un ciclo se realizan dos operaciones sobre una salida la únicaoperación válida será la última.Durante el tratamiento del programa no se escriben los valores de losobjetos de salida


Ejecución delprograma delobjetos de salida. programa del

autómata



Ciclo de programaModos de ejecución

Al ciclo de operación también se le denomina tarea maestra:

El programa de autómata contiene operaciones que se ejecutanEl programa de autómata contiene operaciones que se ejecutancondicionalmente.

El tiempo de ejecución de la tarea maestra no siempre es igual.p j p g

Dos opciones:Ejecución cíclica:

Mét d d j ió d f tMétodo de ejecución por defecto.Se encadenan los ciclos de tarea maestra uno tras otro.

Ejecución periódica:La ejecución de la tarea maestra se efectúa cada cierto tiempo (periodo)La ejecución de la tarea maestra se efectúa cada cierto tiempo (periodo).El periodo de ejecución se puede configurar.Si sobra tiempo se dedica a operaciones de sistema.El periodo debe estar dimensionado para ejecutar el programa completo.


p p j p g p

Ciclo de programaEjecución cíclica

Tiempo

Operaciones de Sistema

Lectura de entradas

Programa de

autómata

Escritura de

salidas

Operaciones de Sistema

Lectura de entradas

Programa de autómata

Escritura de

salidas

Ciclo k Ciclo k+1Ciclo k Ciclo k+1

En el ciclo k+1 el programa de autómata dura más tiempo por loque se ha aumentado el tiempo de cicloque se ha aumentado el tiempo de ciclo.

Existe un tiempo de ciclo máximo que no debe ser excedido.


Ciclo de programaEjecución periódica

Tiempo

O.S. L.E. P.A. E.S. O.S. O.S. L.E. P.A. E.S. O.S. O.S. L.E.

Ciclo k Ciclo k+1 Ciclo k+2Ciclo k Ciclo k+1 Ciclo k+2

En el ciclo k el programa de autómata dura menos tiempo por loque al final de ciclo se pueden realizar operaciones de sistemaque al final de ciclo se pueden realizar operaciones de sistema.


Ciclo de programaConsideraciones sobre el ciclo de programa

Debe ser ejecutado lo más rápido posible.

El tiempo de reacción de un autómata puede ser del doble delEl tiempo de reacción de un autómata puede ser del doble deltiempo de ciclo.

Ejemplo:j pTiempo de ciclo 100ms. Móvil que se desplaza a 1 m/s.La parada puede llegar a ordenarse caso 20 cm después de llegar al final de carrera.

Soluciones ante un ciclo de operación grande:Considerar un A.P. con una CPU más rápida.Di idi l i b á i d di d d á A PDividir las operaciones en submáquinas, dedicando dos o más A.P. para resolver el problema.



Sistema de seguridad Watchdog:Parámetro configurable que define el tiempo máximo de ciclo de operación.Si se sobrepasa este tiempo el A.P. para y deja de ejecutar el programa (pasa a modo STOP).

Recomendaciones respecto el programa de autómata :Recomendaciones respecto el programa de autómata :No es recomendable utilizar estructuras repetitivas en el programa de autómata.Tampoco es recomendable realizar saltos hacia atrás en el programa.Tampoco es recomendable realizar saltos hacia atrás en el programa.Pueden impedir la llegada al final de ciclo con la consecuente activación del Watchdog.



Entrada 1

Evento perdido

Entrada 2

Salida

I1

I2

F

CPUCPU CICLO K CICLO K+1 CICLO K+2 CICLO K+3


Leer entradas Escribir salidas

f=i1 and i2

Índice









Estructura multitarea

Mayores exigencias sistema automatizado implican soluciones mássofisticadas.

Los A.P. de gama media-alta han incluido estructuras jerárquicaspara la organización de los programas.

La estructura multitarea en los autómatas programables seconsigue estructurando los programas en cuatro tipos de tareas:

Tarea maestra.Tarea maestra.Tarea rápida (fast).Tarea de eventos.Tarea auxiliarTarea auxiliar.

La tarea maestra está siempre presente y ejecutará la mayor partedel programa.


Estructura multitareaTarea rápida (fast)

Se programa opcionalmente.

De tipo periódicaDe tipo periódica.

Los programas de esta tarea deben ser cortos para no retardar laejecución de la tarea maestra.j

Permite efectuar tratamientos cortos con prioridad mayor a latarea maestra.

Ejemplos de utilización:Testear el nivel de presión de un tanque cada 13ms.Programación de reguladores continuos (tipo PID) cuyo código debe ejecutarseProgramación de reguladores continuos (tipo PID) cuyo código debe ejecutarse periódicamente.

Cuando se activa se abandona la tarea maestra y se ejecuta laá


rápida. A su fin se reanuda la tarea maestra.

Estructura multitareaTarea rápida (fast)

El período puede ser superior al tiempo de ciclo de programa paratratamientos lentos pero prioritarios.

Modelo de ejecución de la tarea rápida:Lectura de las entradas asignada a la tarea rápida.Ejecución del programa de tarea rápidaEjecución del programa de tarea rápida.Actualización de las salidas de tarea rápida.

Permite tener los valores actualizados de las entradas.

Actualiza a su fin los valores de sus salidas.


Estructura multitarea

Se programan opcionalmente

Tarea de eventosSe programan opcionalmente.

Tareas que se ejecutan para tratar ciertos eventos o sucesos.

Estos eventos suelen suceder en los módulos de entradaEstos eventos suelen suceder en los módulos de entrada.

Se utilizan cuando es necesario una respuesta en un tiempo muycorto, menor que el tiempo de ciclo.corto, menor que el tiempo de ciclo.

La aparición de un evento interrumpe al ejecución de la tareaactual para ejecutar la tarea de tratamiento.

Ejemplos de eventos:Detección de flancos en entradas.Fin de cuenta en módulos contadoresFin de cuenta en módulos contadores.

Las tareas de eventos tienen máxima prioridad.

L d t t i t d b t t b


Los programas de tratamiento deben ser cortos para no perturbarla ejecución del resto de tareas.

Estructura multitareaInterrupción de la tarea maestra

T t


Tarea rápidao

Tarea maestra

del Sistemas

Lecturas de Lecturas de

oTarea de evento


Ejecución del

las entradas

Ejecución delEjecución delprograma del

autómata

Ejecución delprograma del

autómata




Estructura multitareaTarea auxiliar

En algunos modelos de A.P. existen tareas auxiliares de prioridadmenor a la maestra.

Se programan opcionalmente.

Son tareas también periódicas.

Se utilizan para tratamiento de procesos lentos.

Ejemplo:Control de temperatura en un gran depósito.


Estructura multitareaPrioridad entre tareas

Tarea maestra Tarea rápida EventoL.E. P. E.S.Evento

TareasAuxiliares

L.E. P. E.S.

L.E. P. E.S. L.E. P. E.S.EventoL.E. P. E.S.

Prioridad de ejecución +-


Índice









Seguridad y confiabilidad en A. P.

La utilización de PLCs para el control de procesos industriales haceque temas como seguridad, fiabilidad y confiabilidad tomen unagran importancia.

Clasificación de los A.P. en función de su confiabilidad:Autómatas programables de aplicación generalAutómatas programables de aplicación general.

No concebidos para aplicaciones de alta confiabilidad.

Autómatas programables de seguridad.Sistemas redundantes con diagnósticoSistemas redundantes con diagnóstico.Capaces de realizar funciones de control y de seguridad.

Autómatas programables de elevada disponibilidad.Sistemas con alta probabilidad de estar prestando servicio en cierto instante de tiempo.Sistemas con alta probabilidad de estar prestando servicio en cierto instante de tiempo.Redundancia masiva en su configuración.



Confiabilidad en A. P. de aplicación general

A.P. básicos y los primeros basados en microprocesadores reducíanal mínimo complejidad del HW.

El desarrollo del la microelectrónica ha permitido incorporar máselementos HW y SW que permiten verificar el correctofuncionamiento del A Pfuncionamiento del A.P.

Los usuarios también pueden adoptar estrategias para elevar laconfiabilidad de la instalación.confiabilidad de la instalación.

Circuitos de diagnóstico. Recursos dedicados a la comprobación delfuncionamiento del sistema:

Recursos internos de diagnóstico.Recursos externos de diagnóstico.


Seguridad y confiabilidad en A. P.Recursos internos de diagnóstico y seguridad

Circuito de vigilancia o perro guardián (Watchdog):Fue uno de los primeros circuitos de diagnóstico desarrollados.Temporizador que se redispara al comienzo de cada ciclo de programaTemporizador que se redispara al comienzo de cada ciclo de programa.Si en algún momento termina su temporización, significa que el ciclo deprograma ha excedido un valor determinado.En este caso la UCP para el A P y lo lleva a modo STOPEn este caso la UCP para el A.P. y lo lleva a modo STOP.

Circuito de comprobación de batería:A.P. incluyen una batería que permite almacenar el estado de proceso y puntoy q p p y pde ejecución en caso de corte en la alimentación.Este circuito comprueba la carga de dicha batería.

Entradas de seguridad:Entradas de seguridad:Entradas que tiene asociadas una rutina de tratamiento de alta prioridad.Se utiliza para conectarlas a variables del proceso críticas.S ti ió i di lí d li


Su activación indican anomalías que pueden ser peligrosas.


I t i d l ti MCR (M t C t l R t)

Recursos internos de diagnóstico y seguridad

Instrucciones del tipo MCR (Master Control Reset):Permiten desactivar ciertas salidas comprendidas en un bloque de programa.

Instrucciones de acceso a la periferia:Instrucciones de acceso a la periferia:Permiten la lectura directa de variables críticas evitando el retraso del ciclo deprograma.

C fi ió d l l lidConfiguración de valor seguro para las salidas:Cuando el programa falla, el PLC pasa a estado STOP. Las salidas se puedenprogramar para mantenerse en estado no perjudicial para la aplicación.

Protección ante cortocircuito en salidas:En caso de producirse, las salidas se pueden desactivar. La reactivación puedeser automática, repitiéndose casa cierto periodo de tiempo, o programada.ser automática, repitiéndose casa cierto periodo de tiempo, o programada.

Modos de arranque:En frio, en caliente, al vuelo, …


Permiten definir comportamientos distintos en función de cómo y por qué se produce el arranque.

Seguridad y confiabilidad en A. P.Recursos externos de diagnóstico y seguridad

Los recursos internos están incluidos en la unidad central del A.P.

Sin embargo más del 90% de los fallos se producen en la periferiaSin embargo más del 90% de los fallos se producen en la periferiade los A.P.:

Dispositivos de campo (sensores y actuadores).Módulos de entrada/salidaMódulos de entrada/salida.Cableado.

La redundancia selectiva permite detectar fallos e incluso hacertolerante el sistema respecto ese fallo.

A continuación se presentan algunas soluciones:S id d d l t dSeguridad de las entradas.Seguridad de las salidas.


Seguridad y confiabilidad en A. P.Seguridad en las entradas

Fallo típico: un módulo de entrada proporciona informaciónerrónea de tipo todo-nada:

Fallo del propio circuito.Fallo del sensor.Fallo del conexionado.

Para elevar el nivel de seguridad:Seleccionar variables de entrada críticas.Hacer redundantes sensores y sus conexiones al autómataHacer redundantes sensores y sus conexiones al autómata.

Existen diversas alternativas basadas en redundancia:Duplicación de sensores y unidades de entrada.p yTriplicación de sensores y unidades de entrada.Autocomprobación de las interfaces de entrada.


Seguridad y confiabilidad en A. P.Duplicación de sensor y unidad de entrada

Utilizar dos sensores sobre la misma variable y conectarlos aentradas diferentes.

Utilizar una variable interna (M0.0) como variable de entrada parael programa de control.

Realizar programa que active M0.0 únicamente si las dos entradasrelacionadas están activas.

Realizar programa que active otra variable de interna (M0 1) si lasRealizar programa que active otra variable de interna (M0.1) si lasdos entradas relacionadas tienen valores diferentes.

Al activarse (M0.1) se lanza un temporizador que al finalizar avisaAl activarse (M0.1) se lanza un temporizador que al finalizar avisaal sistema de la anomalía.

Se utiliza un temporizador para evitar paros por retrasos en


activación/desactivación de las dos entradas.

Seguridad y confiabilidad en A. P.Duplicación de sensor y unidad de entrada

El método detecta fallo en la variable de entrada.

No se diagnostica qué entrada está fallando.No se diagnostica qué entrada está fallando.

El sistema debe pasar a un estado que preserve la seguridad.


Seguridad y confiabilidad en A. P.Triplicación de sensor y unidad de entrada

Utilizar tres sensores sobre la misma variable y conectarlos aentradas diferentes.

Se supone que no se estropean dos sensores simultáneamente. Sesupone estropeado el que difiere.

Utilizar una variable interna (M0.2) como variable de entrada parael programa de control.

Realizar programa que active M0 2 si dos o tres entradasRealizar programa que active M0.2 si dos o tres entradasrelacionadas están activas.

Realizar programa que active otras variables internas (M0.3, M0.4,Realizar programa que active otras variables internas (M0.3, M0.4,M0.5) si una de las entradas difiere de las otras dos.

Generar una variable de salida (Q1.0) que indique la presencia de


problemas o realizar la acción oportuna.

Seguridad y confiabilidad en A. P.Autocomprobación de interface de entrada

El A.P. se autocomprueba periódicamente la interface de entrada yda la señal de alarma si detecta fallo.

Se utiliza un relé activado por una salida del A.P.

El sensor se puentea mediante el relé de salida.

A.P.SENSOR

Fuente de alimentación

auxiliar


auxiliar


Se puede incrementar la seguridad comprobando que las salidas

Seguridad en las salidasSe puede incrementar la seguridad comprobando que las salidasdel sistema funcionan correctamente.

Para ello se asocia a la salida (Q1.0) un relé adicional que se(Q ) qconecta a una entrada del autómata (I1.0).

Si en algún momento la entrada y salida no coinciden, significa queh l ú bl d l l dhay algún problema. Se avisa mediante la salida Q1.1.

Actuador

A.P.F.A.

Fuente de alimentación

auxiliar

Q1.1 = A1.0’&E1.0+ A1.0&E1.0’


auxiliar

A t ti ióAutomatización e Instrumentación Industrial

Tema 3.Tema 3.

Autómatas programables

Juan Ríos GutiérrezJuan Ríos Gutiérrez

[email protected]

Universidad de Huelva. Dpto. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática

at ti ióautomatización e instrumentación industrial

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