autÓmatas programables ingeniería de máquinas 5º curso de ingeniería industrial. carmelo...
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AUTÓMATAS PROGRAMABLESIngeniería de Máquinas
5º Curso de Ingeniería Industrial.
Carmelo Camacho González.
INTRODUCCIÓNAUTOMATIZACIÓN
TECNOLOGÍA QUE TRATA DE APLICAR SISTEMAS MECÁNICOS, ELÉCTRICOS Y BASES COMPUTACIONALES PARA OPERAR Y CONTROLAR ALGÚN PROCESO. ESTA TECNOLOGÍA INCLUYE:
HERRAMIENTAS AUTOMÁTICAS PARA PROCESAR PARTES.
MÁQUINAS DE MONTAJES AUTOMÁTICOS.
ROBOTS INDUSTRIALES.
MANEJO AUTOMÁTICO DE MATERIAL Y ALMACENAMIENTO.
SISTEMAS DE INSPECCIÓN AUTOMÁTICA.
CONTROL DE PROCESOS.
SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE DATOS Y APOYO PARA TOMA DE DECISIONES.
INTRODUCCIÓN¿QUÉ ES UN AUTÓMATA PROGRAMABLE?.
¿PODEMOS DECIR QUE ES UN ROBOT?.
¿SI?, ¿NO?
PUEDE DEFINIRSE COMO UN EQUIPO ELECTRÓNICO PROGRAMABLE EN LENGUAJE NO INFORMÁTICO QUE ESTÁ DISEÑADO PARA CONTROLAR EN TIEMPO REAL Y EN AMBIENTE INDUSTRIAL, PROCESOS SECUENCIALES. SIN EMBARGO LA RÁPIDA EVOLUCIÓN DE LOS AUTÓMATAS HACE QUE ESTA DEFINICIÓN NO ESTÉ CERRADA.
AUTÓMATA PROGRAMABLE O PLC: CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE, (PROGRAMABLE LOGIC CONTROLER).
INTRODUCCIÓNVENTAJAS VS INCONVENIENTES
VENTAJA
SNo es necesario dibujar el esquema de contactos.
La gran capacidad de almacenamiento del módulo de memoria.
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.Mínimo espacio de ocupación.
Menor coste de mano de obra de la instalación.
Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.
Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo cableado.
Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.
INTRODUCCIÓNVENTAJAS VS INCONVENIENTES
INCONVENIE
NTE
S
Hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en día ese inconveniente esta solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento.
El coste inicial también puede ser un inconveniente.
INTRODUCCIÓNANTECEDENTES HISTÓRICOS
AÑOS 50:
LOS ORDENADORES RESOLVIERON LOS PROBLEMAS DE LA LLAMADA LÓGICA CABLEADA, NO TERMINARON POR ADAPTARSE AL ENTORNO INDUSTRIAL.
AÑOS 60:
GENERAL MOTORS Y DIGITAL DESARROLLARON EL SISTEMA DE CONTROL PDP-14, QUE EVITABA LOS ALTOS COSTE DE UN SISTEMA DE RELÉS DE LÓGICA CABLEADA.
FUE R.E. MORELEY, QUIEN DESARROLLO EL AUTÓMATA PROGRAMABLE PARA LA GENERAL MOTORS.
AÑOS 70:
APARECEN LOS MICRO-CONTROLADORES.
AÑOS 80:
ES CUANDO SE INTRODUCEN LOS MICRO-PROCESADORES EN LOS AUTÓMATAS.
ACTUALMENTE:
LA TENDENCIA ES DOTARLO DE FUNCIONES ESPECÍFICAS DE CONTROL Y DE CANALÉS DE COMUNICACIÓN PARA QUE PUEDAN CONECTARSE ENTRE SÍ Y CON ORDENADORES EN RED. RED DE AUTÓMATAS. CIM.
APLICACIONES
INTRODUCCIÓN
TIPOS DE PLCSDATOS A CONOCER, PARA LA ELABORACIÓN DEUN AUTOMATISMO
Especificaciones técnicas del sistema o proceso a
automatizar
Elección de las opciones tecnológicas existentes
Evaluación de las opciones del punto de vista económico
Toma de decisión
¿?
Lógica Cableada
Lógica Programad
a
TIPOS DE AUTOMATIZACIÓN:
EL OBJETIVO DE UN PLC ES:
GOBERNAR UN PROCESO SIN QUE EL OPERADOR TENGA QUE INTERVENIR SOBRE SUS ELEMENTOS DE SALIDA, SOLO SOBRE LAS MAGNITUDES DE CONSIGNA.
EL PLC OPERA EN GENERAL CON MAGNITUDES DE BAJA POTENCIA, LLAMADAS SEÑALES, Y GOBIERNA UNOS ACCIONAMIENTOS QUE SON LOS QUE REALMENTE MODULAN LA POTENCIA.
TIPOS DE TOPOLOGÍAS:
LAZO ABIERTO: EL PLC NO RECIBE INFORMACIÓN SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL PROCESO.
LAZO CERRADO: EXISTE UNA REALIMENTACIÓN AL PLC DE LA RESPUESTA QUE DA EL PROCESO .
TIPOS DE PLCS
Señales de Consigna
TIPOS DE AUTOMATIZACIÓN (II):
LAZO ABIERTO:
TIPOS DE PLCS
Accionamientos Proceso
PLCEntrada
s
Salidas
Elementos de PotenciaElementos de Señal
TIPOS DE AUTOMATIZACIÓN (III):
TIPOS DE PLCS
Accionamientos Proceso
PLCEntrada
s
Salidas
Elementos de PotenciaElementos de Señal
Respuesta
Sensores
Interface
Señales de Consigna
LAZO CERRADO:
TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLCLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE SEÑALES QUE INTERVIENEN:
SISTEMAS DE CONTROL ANALÓGICOS:SEÑALES DE TIPO CONTINUO (DE 0 A 10 V, 4 A 20 MA, ETC.)
PROPORCIONALES A UNAS DETERMINADAS MAGNITUDES FÍSICAS (PRESIÓN, TEMPERATURA, VELOCIDAD, …)
SISTEMAS DE CONTROL DIGITALES:SEÑALES BINARIAS, DEL TIPO TODO O NADA, SOLO REPRESENTAN
ESTOS DOS ESTADOS.
SISTEMAS HÍBRIDOS ANALÓGICOS-DIGITALES: ESTE GRUPO LOS CONFORMARÍA LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES.
TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLTECNOLOGÍAS EXISTENTES.
Clasificación Tecnológica
Lógica Cableada
Lógica Programad
a
Neumática
Hidráulica
EléctricaElectrónic
a
Microprocesadora Computado
raPLC
TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLCLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE SEÑALES QUE INTERVIENEN:
CARACTERISTICA LÓGICA CABLEADA
LÓGICA PROGRAMADA
Flexibilidad Baja Alta
Posibilidad de ampliación Baja Alta
Conexiones y cableado interior Muchas Pocas
Tiempo de desarrollo del sistema Mucho Poco
Mantenimiento Difícil Fácil
Herramientas de simulación No Si
Costes para pequeñas series Alto Bajo
Estructuración de bloques independientes Difícil Fácil
EL AUTÓMATA PROGRAMABLE¿POR QUÉ QUEREMOS AUTOMATIZAR?
MEJORA LA PRODUCCIÓN
DISMINUYE COSTES
ELIMINA LABORES RUTINARIAS
AUMENTA LA SEGURIDAD DE LOS TRABAJADORES, YA QUE PASAN A LA BORES DE SUPERVISIÓN
AUMENTA LA CALIDAD DEL PRODUCTO
DISMINUYE EL TIEMPO DEL PRODUCTO EN LA CADENA DE PRODUCCIÓN
SE PUEDEN REALIZAR TAREAS DE ALTÍSIMA PRECISIÓN INCAPACES DE LLEVAR A CABO POR UN OPERARIO.
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESU ESTRUCTURA EXTERNAESTRUCTURA COMPACTA:
TODOS LOS ELEMENTOS ESTÁN EN UN SOLO BLOQUE, SON IDEALES PARA CUANDO EL NÚMERO DE ENTRADAS Y SALIDAS SON POCOS, NO VARÍAN Y SON CONOCIDOS A PRIORI.
SU CARCASA NORMALMENTE ES ESTANCA Y SE PUEDEN USAR EN AMBIENTES INDUSTRIALES HOSTILES.
ESTRUCTURA SEMIMODULAR:
SE CARACTERIZA POR SEPARAR LAS E/S DEL RESTO DEL AUTÓMATA DE MANERA QUE ESTAS ESTARÍAN EN UN MÓDULO INDEPENDIENTE DE LOS DEMÁS COMPONENTES QUE ESTARÍAN EN UN MÓDULO COMPACTO.
ESTRUCTURA MODULAR:
SU CARACTERÍSTICA PRINCIPAL ES QUE TIENE UN MÓDULO PARA CADA UNO DE LOS DIFERENTES ELEMENTOS QUE COMPONEN EL AUTÓMATA. MUY USADO EN EUROPA.
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESU ESTRUCTURAINTERNA
UNIDAD CPU
INTERFACE DE
ENTRADA
INTERFACE DE
SALIDA
MEMORIA DE
PROGRAMA
MEMORIA DE
DATOS
BUS INTERNO
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESU ESTRUCTURAINTERNA
UNIDAD CPU
INTERFACE DE
ENTRADA
INTERFACE DE
SALIDA
MEMORIA DE
PROGRAMA
MEMORIA DE
DATOS
BUS INTERNO
FUENTE DE ALIMENTACIÓN FUENTE DE ALIMENTACIÓN: Su función
es suministrar la energía a la CPU y demás tarjetas según la configuración del PLC.
+ 5 V para alimentar a todas las tarjetas+ 5.2 V para alimentar al programador+ 24 V para los canales de lazo de corriente 20 mA.
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESU ESTRUCTURAINTERNA
UNIDAD CPU
INTERFACE DE
ENTRADA
INTERFACE DE
SALIDA
MEMORIA DE
PROGRAMA
MEMORIA DE
DATOS
BUS INTERNO
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Es la parte más compleja e imprescindible del controlador programable, en otros términos podría considerarse el cerebro del controlador.
Su misión es leer los estados de las señales de las entradas, ejecutar el programa de control y gobernar las salidas, el procesamiento es permanente y a gran velocidad.
UNIDAD CPU
INTERFACE DE
ENTRADA
INTERFACE DE
SALIDA
MEMORIA DE
PROGRAMA
MEMORIA DE
DATOS
BUS INTERNO
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
ROM (Read Only Memory): Memoria solo de lectura, no se puede escribir en ellas, es donde el fabricante graba las instrucciones y el usuario no tiene acceso a ella.
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESU ESTRUCTURAINTERNA
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESU ESTRUCTURAINTERNA
UNIDAD CPU
INTERFACE DE
ENTRADA
INTERFACE DE
SALIDA
MEMORIA DE
PROGRAMA
MEMORIA DE
DATOS
BUS INTERNO
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
RAM (Random Access Memory): Memoria de lectura-escritura, los realiza de forma eléctrica, su información desaparece si no tiene alimentación eléctrica.
UNIDAD CPU
INTERFACE DE
ENTRADA
INTERFACE DE
SALIDA
MEMORIA DE
PROGRAMA
MEMORIA DE
DATOS
BUS INTERNO
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Filtran, adaptan y codifican de forma comprensible para la CPU, las señales procedentes de los elementos de entrada
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESU ESTRUCTURAINTERNA
UNIDAD CPU
INTERFACE DE
ENTRADA
INTERFACE DE
SALIDA
MEMORIA DE
PROGRAMA
MEMORIA DE
DATOS
BUS INTERNO
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Son las encargadas de decodificar, y amplificarlas señales generadas durante la ejecución del programa antes deenviarlas a los elementos de salida.
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESU ESTRUCTURAINTERNA
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESISTEMA DE ENTRADAS/SALIDAS
Entradas
Información recogida del proceso, es el conjunto de sensores en general.
SalidasAcciones de control sobre la máquina,
corresponden a relés, contactores. Arrancadores, …
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESISTEMA DE ENTRADAS/SALIDAS (II).
LAS E/S DISCRETAS SE CARACTERIZAN POR PRESENTAR DOS ESTADOS DIFERENCIADOS:
PRESENCIA O AUSENCIA DE TENSIÓNRELÉ ABIERTO O CERRADO.
LAS E/S ANALÓGICAS TIENEN COMO FUNCIÓN LA CONVERSIÓN DE UNA MAGNITUD ANALÓGICA (TENSIÓN O CORRIENTE) EQUIVALENTE A UNA MAGNITUD FÍSICA (TEMPERATURA, PRESIÓN, GRADO DE ACIDEZ, ETC.) EN UNA EXPRESIÓN BINARIA DE 11, 12 O MÁS BITS, DEPENDIENDO DE LA PRECISIÓN DESEADA. ESTO SE REALIZA MEDIANTE CONVERSORES ANALÓGICO-DIGITALES (ADC'S).
LAS E/S NUMÉRICAS PERMITEN LA ADQUISICIÓN O GENERACIÓN DE INFORMACIÓN A NIVEL NUMÉRICO, EN CÓDIGOS BCD, GRAY U OTROS. LA INFORMACIÓN NUMÉRICA PUEDE SER ENTRADA MEDIANTE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS DIGITALES APROPIADOS. POR SU PARTE, LAS SALIDAS NUMÉRICAS SUMINISTRAN INFORMACIÓN PARA SER UTILIZADA EN DISPOSITIVOS VISUALIZADORES (DE 7 SEGMENTOS) U OTROS EQUIPOS DIGITALES.
EL AUTÓMATA PROGRAMABLESISTEMA DE ENTRADAS/SALIDAS (III).
POR ÚLTIMO, LAS E/S ESPECIALES SE UTILIZAN EN PROCESOS EN LOS QUE CON LAS ANTERIORES E/S VISTAS SON POCO EFECTIVAS, BIEN PORQUE ES NECESARIO UN GRAN NÚMERO DE ELEMENTOS ADICIONALES, BIEN PORQUE EL PROGRAMA NECESITA DE MUCHAS INSTRUCCIONES. ENTRE LAS MÁS IMPORTANTES ESTÁN:
ENTRADAS PARA EL CONTROL DE TEMPERATURAS.
SALIDAS PARA EL CONTROL DE MOTORES PASO A PASO (PAP).
ENTRADAS Y SALIDAS PARA PROCESOS DE REGULACIÓN DE ALTA PRECISIÓN.
` SALIDAS ASCII PARA LA COMUNICACIÓN CON PERIFÉRICOS INTELIGENTES.
CONEXIONADO DE UN AUTÓMATA
CONEXIONES E/S
CONEXIONADO DE UN AUTÓMATA
CONEXIONES DE ENTRADA
LA EFICAZ PUESTA EN FUNCIONAMIENTO DE UN AUTÓMATA PROGRAMABLE PASA NECESARIAMENTE POR UNA CORRECTA CONEXIÓN DE LOS CAPTADORES EN LAS ENTRADAS Y LOS ACTUADORES EN LAS SALIDAS.
LAS ENTRADAS SUELEN CONTAR CON LA CONEXIÓN DE LOS DENOMINADOS CAPTADORES, QUE SON DISPOSITIVOS QUE TRANSFIEREN AL INTERIOR DEL
AUTÓMATA AQUELLAS VARIABLES DEL PROCESO CONTROLADO QUE EL EQUIPO
HA DE CONOCER.
ANALÓGICOS, CUYA SEÑAL ELÉCTRICA ES VARIABLE EN EL TIEMPO, Y QUE NECESARIAMENTE HAN DE ACOPLARSE AL MISMO TIPO DE ENTRADAS.
DIGITALES, EN DONDE LA SEÑAL RESPONDE AL ESQUEMA CLÁSICO TODO/NADA.
LOS CAPTADORES SIN TENSIÓN QUE SE PUEDEN CONECTAR A UN AUTÓMATA
PUEDEN SER DE VARIOS TIPOS Y, ENTRE OTROS, SE PODRÍAN CITAR LOS
SIGUIENTES:
PULSADORES
INTERRUPTORES
FINALES DE CARRERA
CONTACTOS DE RELÉS
CONEXIONADO DE UN AUTÓMATA
CAPTADORES SIN TENSIÓN
AL ELEGIR EN EL MERCADO LOS CAPTADORES QUE NECESITAN SER
ALIMENTADOS, LO HAREMOS DE TAL FORMA QUE SU TENSIÓN DE TRABAJO
COINCIDA CON LA TENSIÓN DE ENTRADA AL AUTÓMATA.
DETECTORES DE
PROXIMIDAD
CÉLULA FOTOELÉCTR
ICA
DETECTORES DE HUMO, FUEGO, …
CONEXIONADO DE UN AUTÓMATA
CAPTADORES CON TENSIÓN
EN LOS CONTACTOS DE SALIDA DEL AUTÓMATA SE CONECTAN LAS CARGAS O ACTUADORES, BIEN
DIRECTAMENTE O BIEN A TRAVÉS DE OTROS ELEMENTOS DE MANDO
(DRIVERS).
LAS SALIDAS SE SUELEN DISTRIBUIR EN VARIOS GRUPOS INDEPENDIENTES
DE 1, 2, 4, 5, ETC. CONTACTOS; DE TAL FORMA QUE SE PUEDEN UTILIZAR
VARIAS TENSIONES SEGÚN LAS NECESIDADES DE LAS CARGAS.
ACTUADORES SON TODOS LOS
ELEMENTOS CONECTADOS A
LASSALIDAS Y QUE ACTÚAN SOBRE
EL PROCESO PARA
TRANSMITIRLE LAACCIÓN DE CONTROL.
CONEXIONADO DE UN AUTÓMATA
CONEXIONES DE SALIDA Y ACTUADORES
PROGRAMACIÓN DE UN AUTÓMATASOFTWARE.
EN ESTE PUNTO SE VAN A VER LOS PRINCIPALES ASPECTOS RELACIONADOS CON LA PARTE MENOS TANGIBLE FÍSICAMENTE DEL AUTÓMATA, EL SOFTWARE, LOS PROGRAMAS QUE SE EJECUTAN EN EL EQUIPO.
ESTOS PROGRAMAS PUEDEN SER DE DOS TIPOS:LOS CREADOS POR EL USUARIO.LOS CREADOS PARA EL FUNCIONAMIENTO INTERNO DEL AUTÓMATA.
CUANDO EL AUTÓMATA SE SITÚA EN CICLO DE EJECUCIÓN, SE LLEVA A CABO UNA EJECUCIÓN CÍCLICA, ESTO ES QUE LA CPU REALIZA EL BARRIDO DEL PROGRAMA CONTENIDO EN LA MEMORIA DE USUARIO, DESDE LA DIRECCIÓN O NUMERO DE LÍNEA 0000 HASTA LA ULTIMA POSIBLE, VOLVIENDO A EMPEZAR NUEVAMENTE, EFECTUANDO LO QUE SE DENOMINA CICLO SCAN O CICLO DE SCANNING.
PROGRAMACIÓN DE UN AUTÓMATACICLO SCAN Y DE FUNCIONAMIENTO
Proceso Inicial
Proceso Común
Ejecución del programa y datos
Servicio a Periféricos Externos
TensiónComprobació
n del HardwareBorrado de
contadores y variables internas
Puesta a CeroComprobación de Conexiones
y Memorias
¿Comprobación Correcta?
NO
SILectura de la Interface de
Entrada
Lectura de la Interface de Salida
Ejecución del Programa de Usuario
Indicador de
ERROR
ALGUNOS FABRICANTES
S I E M E N SD S 2
S U M O T O M OH O M Y W E L L
A M D
THE END