AUTOMATAS PROGRAMABLES

ORIGEN Y PERSPECTIVA

• Los autómatas programables aparecieron en los Estados Unidos de América en los años 1969 – 1970 , más particularmente, en el sector de la industria del automóvil.

• El autómata es la primera máquina con lenguaje, es decir, un calculador lógico cuyo juego de instrucciones se orienta hacia los sistemas de evolución secuencial.

• El Autómata Programable Industrial (API) nació como solución al control de circuitos complejos de automatización.

ORIGEN Y PERSPECTIVA

• Por lo tanto se puede decir que un API no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas automáticos. A él se conectan los captadores (finales de carrera, pulsadores,...) por una parte, y los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, peque os receptores,...) por otra.

• La creciente difusión de aplicaciones de la electrónica, la fantástica disminución del precio de los componentes, el nacimiento y desarrollo de los microprocesadores y, sobre todo, la miniaturización de los circuitos de memoria permiten presagiar una introducción de los autómatas programables, cuyo precio es atractivo incluso para equipos de prestaciones modestas, en una inmensa gama de nuevos campos de aplicación.

DEFINICIÓN

Un PLC (Programable Logic Controller) en español controlador lógico programable llamado también autómata programable según la IEC 61131 es una máquina electrónica programable capaz de ejecutar un programa, o sea, un conjunto de instrucciones organizadas de una forma adecuada para solventar un problema dado, y diseñada para trabajar en un entorno industrial y por tanto hostil en tiempo real y en medio de procesos secuenciales.

Las instrucciones disponibles para crear programas serán de una naturaleza tal que permitirán controlar procesos, por ejemplo: funciones lógicas, operaciones aritméticas, de contaje de eventos, de temporización, etc. Además, el PLC estará diseñado de forma tal que la conexión del mismo con el proceso a controlar será rápida y sencilla por medio de entradas y salidas de tipo digital o analógico.

CAMPOS DE APLICACIÓN

Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las siguientes necesidades:

• Espacio reducido.

• Procesos de producción periódicamente cambiantes.

• Procesos secuenciales.

• Maquinaria de procesos variables.

• Instalaciones de procesos complejos y amplios.

• Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso

APLICACIONES

• Maniobra de máquinas.• Maniobra de instalaciones.• Señalización y control.• Instalaciones de seguridad• Chequeo de programas• Señalización del estado de procesos

Tal y como dijimos anteriormente, esto se refiere a los autómatas programables

industriales, dejando de lado los pequeños autómatas para uso más personal (que

se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el hogar, como la puerta

de un cochera o las luces de la casa).

ESTRUCTURA DEL PLCUn autómata programable se compone esencialmente de los siguientes bloques:

• Unidad central de proceso o de control, CPU.

• Memorias internas.

• Memoria de programa.

• Interfaces de entrada y salida.

• Fuente de alimentación.

DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN AUTÓMATA PROGRAMABLE

Unidad de control (CPU)

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 enviarán 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.

Memoria Interna

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.

Memoria de programaLa memoria de programa contiene la secuencia de operaciones que deben realizarse sobre las señales de entrada para obtener 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 bastante generalmente con modificar el contenido de esta memoria.

Interfaces de entrada y salida.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, 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.

Entradas y salidas

Los elementos de entrada son, por ejemplo, auxiliares de control, contactos de final de carrera, detectores de proximidad, también tensiones analógicas o detectores de corriente. Los contactores, electroválvulas, dispositivos de acoplo, lámparas… son elementos de salida.

Entradas digitales

Los módulos de entrada digitales permiten conectar al autómata, captadores de tipo todo o nada como finales de carrera, pulsadores, pedales, sensores de proximidad inductivos, fotoeléctricos, capacitivos, magnéticos, ultrasónicos y demás, que son los más comúnmente empleados en los procesos.

Entradas analógicasLos módulos de entrada analógicas permiten que los autómatas programables trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser el nivel de la temperatura, la presión o el caudal de un proceso; a diferencia de las digitales, no informan si se ha alcanzado un valor umbral, sino el valor en cada momento de la variable

Salidas digitales

Un módulo de salida digital permite al autómata programable actuar sobre los pre-accionadores y accionadores que admitan ordenes de tipo todo o nada. El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relé interno del autómata en el caso de módulos de salidas a relé.En los módulos estáticos (bornero), los elementos que conmutan son los componentes electrónicos como transistores o triacs, y en los módulos electromecánicos son contactos de relés internos al módulo.

Salidas analógicas

Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del autómata se convierta en tensión o intensidad. Lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo).

Pueden existir varias clasificaciones de los Autómatas Programables, teniendo en cuenta sus distintas características. Siendo la mas conocida:

Por su estructura externaSe refiere al aspecto físico exterior del PLC. Actualmente en el mercado existen dos tendencias:

• Diseño compacto: En un solo bloque residen todos sus elementos (fuente, CPU,

entradas/salidas, interfaces, etc.). Tienen la ventaja de ser generalmente más baratos y su principal desventaja es que no siempre es posible ampliarlos.

• Diseño modular: Los distintos elementos se presentan en módulos con grandes

posibilidades de configuración de acuerdo a las necesidades del usuario. Una estructura muy popular es tener en un bloque la CPU, la memoria, las interfaces y la fuente. En bloques separados las unidades de entrada/salida que pueden ser ampliadas según necesidades.

Clasificación del PLC

El tamaño puede variar por varios aspectos, se lo determina generalmente por la cantidad de entradas y salidas disponibles. Pudiendo variar entre 10 E/S hasta varios miles. Las denominaciones son: nanoautómatas, microautómatas, etc..

Tamaño de los PLC

Cómo funciona un PLC En la figura se muestra esquemáticamente el funcionamiento de un PLC. En ella podemos distinguir una secuencia que cumple a la puesta en marcha, dónde realiza un autotest para verificar sus conexiones con el exterior (por ejemplo si tiene conectado algún dispositivo de programación. Además dentro de este mismo proceso coloca todas las salidas a 0. Luego entra en un ciclo que comienza leyendo y fijando ( “fotografiando”) el valor de las entradas (hasta que vuelva a pasar por esta etapa no detectará cualquier variación en ellas). A continuación comienza a cumplir instrucción por instrucción del programa (ejecución). Con los resultados que va obteniendo “arma” , internamente, “una imagen” de lo que va a ser la salida. Una vez que llega al final del programa recién transfiere esa imagen a los bornes de la salida (actualiza salidas). Cumplida esta tarea, realiza una nueva prueba interna, y vuelve a “cargar” las entradas y así sucesivamente.

Cómo funciona un PLC

 

El programa de un autómata se establece a partir de órdenes elementales: las instrucciones. Ellas son quienes permiten efectuar operaciones a partir de la información proporcionada por los captadores (variables de entrada) y los auxiliares de control con intervención humana.

LENGUAJES DE PROGRAMACION

Los resultados de esas operaciones pueden intervenir sobre variables de salida o variables internas.

El elemento de control (PLC) reacciona en base a la información recibida por los captadores (sensores) y el programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la instalación.

Para que el autómata pueda descifrar e interpretar las instrucciones contenidas en el programa hay que escribirlas con la ayuda de un código adaptado. Por esta razón, las instrucciones de base y la consideración de variables son específicas de cada familia de autómatas.

En la actualidad cada fabricante diseña su propio software de programación, lo que significa que existe una gran variedad comparable con la cantidad de PLCs que hay en el mercado. No obstante, actualmente existen tres tipos de lenguajes de programación de PLCs como los más difundidos a nivel mundial; estos son:- Lenguaje de contactos o Ladder - Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones)- Diagrama de funciones

El estándar IEC 1131 para controladores programables consiste de cinco partes, una delas cuales hace

referencia a los lenguajes de programación y es referida como la IEC1131-3.El estándar IEC 1131-3

define dos lenguajes gráficos y dos lenguajes basados en texto, para la programación de PLCs. Los

lenguajes gráficos utilizan símbolos para programar las instrucciones de control, mientras los lenguajes

basados en texto, usan cadenas de caracteres para programar las instrucciones.

 Lenguajes Gráficos

Diagrama Ladder (LD)

Diagrama de Bloques de Funciones (FBD)

Lenguajes Textuales

Lista de Instrucciones (IL)

Texto Estructurado (ST)

Adicionalmente, el estándar IEC 1131-3 incluye una forma de programación orientada a objetos llamada

Sequential Function Chart (SFC).

El LADDER, también denominado lenguaje de contactos o de escalera, es un lenguaje de

programación gráfico muy popular dentro de los Controladores Lógicos Programables

(PLC), debido a que está basado en los esquemas eléctricos de control clásicos. De este

modo, con los conocimientos que todo técnico eléctrico posee, es muy fácil adaptarse a

la programación en este tipo de lenguaje. Su principal ventaja es que los símbolos

básicos están normalizados según normas NEMA y son empleados por todos los

fabricantes.

Diagrama de escalera (LD)

Para programar un PLC con LADDER,

además de estar familiarizado con las reglas

de los circuitos de con mutación, es

necesario conocer cada uno de los

elementos de que consta este lenguaje. En la

siguiente tabla podemos observar los

símbolos de los elementos básicos junto con

sus respectivas descripciones.

Elementos de programación

Programación

Mediante símbolos representa contactos, bobinas, etc.

Su principal ventaja es que los símbolos básicos están normalizados según el estándar IEC y son empleados por todos los fabricantes.

Los símbolos básicos son:

En estos diagramas la línea vertical a la izquierda representa un conductor con tensión, y la línea vertical a la derecha representa

tierra.

Los contactos Los elementos a evaluar para decidir si activar o no las salidas en determinado "escalón", son variables lógicas o binarias, que pueden tomar solo dos estados: 1 ó 0, Estos estados que provienen de entradas al PLC o relés internos del mismo. En la programación Escalera (Ladder), estas variables se representan por contactos, que justamente pueden estar en solo dos estados: abierto o cerrado. Los contactos se representan con la letra "E" y dos números que indicaran el modulo al cual pertenecen y la bornera al la cual están asociados

El lenguaje de lista de instrucciones (Instruction List -IL-) es el lenguaje de programación de PLCs más

potente de los que existe. Es un lenguaje literal de bajo nivel parecido al lenguaje ensamblador empleado

para la programación de microcontroladores.

Es un lenguaje cuyo origen está en Alemania de la mano de Siemens y sus primeros autómatas. Este

lenguaje se basa en la utilización de un mnemónico que representa la instrucción seguido del operando u

operandos sobre los que se aplica. El resultado de la operación puede ser almacenado sobre uno de los

operandos o sobre alguno de los registros o la pila que emplea el equipo. Cada línea del programa

contiene una única instrucción y su ejecución es secuencial comenzando por la primera de la lista. Todos

los programas escritos en cualquiera de los otros lenguajes pueden ser finalmente traducidos a IL.

Lista de instrucciones (IL)

Se utiliza la sintaxis del Álgebra de Boole para ingresar y explicar la lógica de

control. Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos,

haciendo uso de operadores Booleanos (AND, OR, NOT, etc.) y otras

instrucciones nemónicas, para implementar el circuito de control. El lenguaje

“Lista de Instrucciones” (IL) de la Norma IEC 1131-3, es una forma de

lenguaje Booleano. Ejemplo de programación Booleana:

TEMPORIZADORES

Un temporizador es un dispositivo capaz de retardar una orden de salida (activación o desactivación) durante un cierto tiempo, en respuesta a una señal de mando de entrada.

Un temporizador es un aparato con el que podemos regular la conexión o desconexión de un circuito eléctrico después de que se ha programado un tiempo. El elemento fundamental del temporizador es un contador binario, encargado de medir los pulsos suministrados por algún circuito oscilador, con una base de tiempo estable y conocida. El tiempo es determinado por una actividad o proceso que se necesite controlar.

Podemos clasificar los temporizadores en:

De conexión: el temporizador recibe tensión y mide un tiempo hasta que libera los contactos

De desconexión: cuando el temporizador deja de recibir tensión al cabo de un tiempo, libera los contactos

En la industria, estos ciclos de tiempo a la conexión o desconexión permiten controlar espacios de retardos adecuados para ciertos procesos. Por ejemplo, cuando una pieza es pintada se emplea un tiempo para lograr el secado completo de la pintura, o bien, si se controla el flujo de líquido a través de una boquilla que llena unas botellas, se puede especificar el tiempo preciso que necesita para que cada botella sea llenada.La temporización pues, forma parte de casi cualquier proceso industrial. En toda aquella actividad fabril siempre habrá tiempos qué medir para permitir el proceso subsecuente (o terminar el anterior).

Hay diversos tipos de temporizadores desde los que son usados en el hogar para cocinar, hasta los que son usados en la automatización de procesos de industriales, tienen diferentes clases de componentes que tienen como fin la misma función, pero cada uno sirve para algún proceso en específico:

• Temporizador térmico que actúa por calentamiento de una lámina bimetálica, el tiempo se determina por la curva que adquiere la lámina.

• Temporizador neumático, está basado en la acción de un fuelle que se comprime al ser accionado por un electroimán. El fuelle ocupa su posición que lentamente, ya que el aire entra por un pequeño orificio, al variar el tamaño del orificio cambia el tiempo de recuperación y por consecuencia la temporización.

• Temporizador electrónico, el principio es la descarga de un condensador mediante una resistencia. Por lo general se emplean condensadores electrolíticos.

• Temporizador magnético, se obtiene ensartando en el núcleo magnético, un tubo de cobre.

Tipos de temporizadores

Para su programación los temporizadores necesitan definir 3 campos:

Nombre de la función, que define el tipo de temporización a utilizar.

Número de elemento, que indica su dirección en variable interna (un elemento dado suele puede programarse una vez por programa).

Parámetros de preselección, que concretan el valor total de la temporización, a partir de los valores:

Módulo de tiempo, o número de unidades a contar. Base de tiempos, o frecuencia de conteo de unidades.

Así, se cumple que Tiempo total = modulo x base 

Funcionamiento

Algunas aplicaciones típicas de temporizadores son las siguientes:

Generación de retardos o conformación de impulsos.

Cronometrajes entre sucesos consecutivos.

Filtrado de señales (retrasando la lectura válida hasta un tiempo después de

recibida la señal).

Obtención de tiempos de parada en maquinaria, para estadística,

mantenimiento, etc.

 

Aplicaciones

Un contador es un dispositivo capaz de medir (contar) el número de cambios de nivel en una señal de entrada, activando una señal de salida cuando se alcanza un valor prefijado.

Los contadores son sistemas secuenciales con una sola entrada de impulsos a contar, cuyo estado interno en cada instante representa el número de impulsos que se han aplicado.

Si los impulsos ocurren a intervalos de tiempo conocidos, un contador puede utilizarse como un instrumento de medida de tiempos  

Contadores

Están definidos 2 tipos de contadores:

Contador incremental, que acumula el número de impulsos recibidos por su entrada de pulsos.

Contador bidireccional (UP/DOWN), que acumula la diferencia entre los pulsos recibidos por sus entradas de cuenta ascendente y cuenta descendente.

En estos últimos existen, a su vez, dos versiones: De entradas de pulsos separadas, UP (cuneta

ascendente) y DOWN (cuenta descendente),

De entrada de pulsos común (PULSE), y señal adicional de dirección de cuenta (U/D).

Los bloques funcionales contadores definidos sobre autómatas, necesitan para su programación

de los siguientes campos:

• Nombre de función, que distingue entre contadores incrementales o bidireccionales.

• Número de elemento, que indica su dirección en variable interna.

Puesto que los temporizadores y los contadores son conceptualmente muy semejantes

(el valor de cuenta cambia en cada impulso externo, mientras que en los temporizadores

avanza según un reloj interno), muchos autómatas disponen de un área común para

ubicarlos, y la dirección o número de elemento puede ser atribuida a uno u otro, aunque

no a ambos simultáneamente en un mismo programa.

• Parámetros de preselección, que indican el valor a alcanzar por el contador antes de

activar la salida (módulo de cuenta, en los contadores incrementales), o el valor de carga

cuando se activa la señal de validación (preselección, en los contadores bidireccionales).

 

Las aplicaciones típicas de los contadores son:

Contaje de sucesos, para ordenar acciones de mando o disparar alarmas.

Control de stocks.

Divisores de frecuencia, con un factor de división igual a módulo de cuenta: frecuencia

de salida= frecuencia de entrada/módulo de cuenta.

Estadísticas de producción (número de piezas, paradas de maquina), etc.

Una aplicación particular consiste en utilizar los contadores como temporizadores a base de introducir en la entrada de pulsos una variable interna de reloj. Puesto que el valor del contador puede mantenerse con una batería en caso de pérdida de tensión, la aplicación permite construir temporizadores que mantienen su estado incluso en caso de pérdida de alimentación.

Aplicaciones

Puede haber operaciones matemáticas como sumas, restas, comparaciones, multiplicaciones, divisiones, desplazamientos de bits, etc. Todas ellas utilizan valores contenidos en registros de memoria referenciados a contadores, entradas, salidas, temporizadores y demás. Las funciones matemáticas son usadas especialmente para la manipulación de variables analógicas.

Las operaciones aritméticas con números enteros son representadas por cajas (Boxes) en las que se indica la operación a efectuar y los operandos.

El funcionamiento sigue las reglas generales del diagrama de contactos, cuando se cierra el contacto XXX se realiza la operación.

Las operaciones aritméticas

Ejemplos

En este ejemplo se suman los contenidos de las memorias de datos REG! Y REG2 y se almacena el resultado en REG7, cuando la condición XXX se vuelve verdadera.

El secador rotatorio constituye una de las formas más ampliamente utilizadas para el secado, de una amplia gama de materiales, a nivel industrial, en forma rápida y con bajo costo unitario cuando se trata de grandes cantidades. En este tipo de secador, el material húmedo es continuamente elevado por la rotación del secador, dejándolo caer a través de una corriente de aire caliente que circula a lo largo de la carcasa del secador. El flujo de aire puede ser tanto en paralelo como en contracorriente. Los secadores de gran tamaño poseen, a continuación, un enfriador del producto, que opera en base al mismo principio y con aire en contracorriente o un enfriador en lecho fluidizado. Estos secadores se pueden diseñar para tiempos de secado comprendidos entre 5 y 60 minutos y capacidad de secado desde unos pocos cientos de kilogramos por hora hasta alcanzar las 200 t/h.

PROYECTO

GRACIA

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