controladores electronicos programables

FESTO

Controladores Electrónicos Programables D. Arce / E. Izaguirre

Controladores Electrónicos Programables CEP - 2

ÍNDICE

1. Índice 22. Prólogo 33. Introducción 4

3.1. Control eléctrico 44. Control de Lógica Programable, PLC

7

4.1. CPU 84.2. Memoria 84.2.1. Memoria para sistema 84.2.2. Memoria para usuario 9

4.3 Comunicación con el proceso 94.3.1. Señal 104.3.2. Señal analógica 114.3.3. Señal discreta 124.3.4. Señal binaria 13

4.4 Comunicación con el Usuario 165. Programación de un PLC 16

5.1. Operador absoluto 165.2. Operador simbólica 17

6. Lenguajes de programación 187. Tipos de PLC FESTO 258. Conclusión 33


2. Prólogo

Los sistemas automáticos se han ido implementando con mayor frecuencia, volviéndose más complejos ya que son más independientes a la intervención humana. Esto podría involucrar la alimentación de materias primas, el proceso de transformación, así como el empaque y estivación del producto terminado.

Obviamente el “cerebro” encargado del control del proceso completo debe ser capaz de realizar estas tareas simultáneamente, o en sincronización con otros sistemas, además de ser flexible a condiciones no previstas inicialmente sin que represente un importante costo adicional en su reajuste. Con el desarrollo tecnológico de la electrónica aplicada en los sistemas de control se brinda la oportunidad de alcanzar las metas de control de procesos muy complejos. Pero fabricar un sistema de control específico para cada proceso es indiscutiblemente impráctico, demasiado costoso, por esta razón se ha llegado a sistemas de control electrónicos de gran flexibilidad y adaptables a casi cualquier proceso, además de permitir su programación mediante lenguajes fácilmente comprensibles por el personal técnico medio.

El instrumento al que nos referimos es el PLC (programable logic controller), desarrollado en la década de los años 60 por solicitud de la General Motors Co., mismo que ha visto multiplicado su uso en una gran cantidad de diversos procesos en diferentes compañías.


3. Introducción3.1 Control eléctrico

En los primeros automatizmos, que se lograron, el sistema era controlado a través de bancos de relevadores. Los relevadores son dispositivos electromagnéticos, los cuales constan de un electroimán y un juego de contactos eléctricos; el electroimán al ser energizado provoca un cambio en estado de los contactos eléctricos, de normalmente abierto (N.A.) a cerrado y de normalmente cerrado (N.C.) a abierto.

Conectados de forma conveniente los relevadores pueden controlar procesos secuenciales y combinatorios. Sin embargo, cuando más complejo se vuelve el proceso más difícil se convierte su diseño al igual que su mantenimiento, ya que el tiempo de vida de un relevador es relativamente corto (comparado con los circuitos electrónicos) y una vez que fallan se pueden esperar fallas constantes por cada relevador existente, una máquina mediana puede contener más de 100 relevadores. Una limitante más que se tiene en los desarrollos con banco de relevadores, es el tiempo de procesamiento de la información. Un relevador tarda aproximadamente 10 ms en conmutar de un estado a otro, por lo que para procesos veloces tendría que retardar su ejecución hasta que se procese la información correspondiente.

La figura muestra un diagrama escalera eléctrico del control mediante relevadores de una máquina compactadora.


Otra variante para solucionar la complejidad de los sistemas de control eléctrico fue el árbol de levas, este dispositivo es un conjunto de levas que accionan interruptores según la secuencia en la que se han dispuesto, las levas se mueven cíclicamente impulsadas por un motor eléctrico de velocidad uniforme, este arreglo no permite ninguna variación en la secuencia de la máquina, por lo que solo se usan en procesos secuenciales y no combinatorios.

Aunque este tipo de control reduce considerablemente los costos y la complejidad del diseño, también al paso del tiempo los interruptores tienden a dañarse y perder su ajuste reduciendo de esta manera su efectividad.

Se han desarrollado algunas otras variantes del árbol de levas, sin embargo es este el tipo más común.

Por estas y otras razones, la creciente necesidad de aumentar la producción llevo a la aplicación de sistemas electrónicos en el control de procesos, a concebir el concepto de un control electrónico con libre programación (PLC).

Control de árbol de levas


4. Controlador Electrónico de Libre Programación, PLC.

En el mercado es posible encontrar un sinnúmero de marcas de PLC, sin embargo, no todos son iguales y por lo tanto no pueden emplearse indistintamente en cualquier proceso. Para seleccionar un PLC correctamente partiremos del análisis de sus características genéricas.

El controlador programable es una computadora de uso específico (industrial) el cual esta constituido prácticamente por 4 bloques: CPU, Memoria, Comunicación con el Proceso y Comunicación con el Usuario.


4.1 CPU

El CPU es la Unidad de Procesamiento Central del PLC, o también conocido como el “cerebro” del controlador, donde se procesa toda la información procedente del sistema y del Usuario. En este lugar el controlador toma todas las decisiones a ejecutarse según previa programación y que reside en la memoria. Una de las características más importantes del CPU es su velocidad de procesamiento que normalmente se expresa en Khz, ya que de ella dependerá su costo y capacidad de aplicación en procesos.

Otra característica no menos importante del CPU es su capacidad de procesamiento de la información, en muchos de los casos prácticos es necesario el uso de más de 2 programas de forma simultánea, o de contar eventos o tiempo, inclusive hacer estadísticas del proceso. Todas estas actividades se llevan acabo en el CPU, y pueden estar apoyadas con coprocesadores.

No debe pensarse que todos los PLC tienen estas capacidades, por el contrario, debido a la gran diversidad de procesos a controlar se tiene también una gama equivalente de configuraciones del PLC.

4.2 MemoriaLa memoria dentro de un PLC es el lugar donde se almacena la información requerida para la ejecución

del mando, esta información puede dividirse en dos grandes grupos: Memoria para Sistema y Memoria para Usuario.

4.2.1 Memoria para Sistema.

En esta memoria se encuentra contenida la información necesaria para la operación en sí del PLC y no del proceso a controlar. Todas las instrucciones como auto chequeo, decodificación de señales, codificación de señales, etcétera, van contenidas en esta memoria que es cargada desde su fabricación. No es una memoria modificable, por lo tanto, es del tipo permanente y no puede alterarse.

4.2.2. Memoria para Usuario

Este tipo de memoria contiene la información relacionada al proceso a controlar, y es cargada al sistema por el Usuario de acuerdo a los requerimientos propios del sistema. Normalmente en las puestas en marcha de sistemas controlados por PLC, donde es necesario una gran cantidad de ajustes al programa inicial, se usan memorias flexibles, es decir, con la capacidad de ser modificadas fácilmente.

Tipos de memoria


Tipos de memoria Borrado Programación Sin voltaje, la memoria es

RAM Random Access Memory“Memoria de accesor aleatorio”memoria escritura/lectura

Eléctrico Eléctrica Volátil

ROM Read-Only-Memory“Memoria de sólo lectura”memoria de datos fijos

ImposiblePor máscaras en fábrica No volátil

PROM Programable PROM“Memoria fija programable” Imposible Eléctrica No volátil

EPROM Erasable ROM“Memoria fija borrable” Por luz UV Eléctrica No volátil

RPROM Reprogramable ROM“Memoria fija reprogramable” Por luz UV Eléctrica No volátil

EEROM Electrrically Erasable ROM“Memoria fija borrable eléctricamente”

Eléctrico Eléctrica No volátil

EAROM Electrically Alterable ROM“Memoria fija reprogramable eléctricamente”

Eléctrico Eléctrica No volátil

Según la aplicación convendrá el tipo de memoria a utilizar, sin embargo, un parámetro común entre ellas es el tamaño, el cual se mide en Kbyte.

4.3. Comunicación con el Proceso

Es fácil pensar que la finalidad del uso de un PLC es para controlar un proceso de características muy particulares. Es por ello que el PLC debe adaptarse al sistema que se trate, sobre todo los procesos en los que se hace una reconvención tecnológica de banco de relevadores a PLC, ya que los sensores, bobinas, motores, interruptores y acometida de la máquina ya existen y sería incosteable cambiar todos estos componentes para adaptarse a un PLC determinado.

Esta comunicación se lleva acabo a través de las entradas y salidas del PLC, pero pueden tenerse otras comunicaciones con periféricos a través de tarjetas de comunicación por corriente o modulación de pulsos.

Para comprender como es interpretada la información haremos algunos análisis previos.


4.3.1. Señal

Es información previamente codificada y que esta contenida en cualquier manifestación de energía que debe ser medible (voltaje o corriente, por ejemplo).

Las señales pueden clasificarse de acuerdo a su tipo.


4.3.2. Señales analógicas.

Las señales analógicas o continuas tienen como característica un número infinito de valores para un mismo instante, es decir, no se encuentra definido su valor en un instante to .

En la figura, para el instante to el valor de la temperatura no esta definido, ya que puede tomar cualquier valor estimado entre 10 y 50, ver gráfica. El valor que se asigne para definir la variable en el instante to estará en función de la precisión a la que se limite. Por ejemplo podría tomar un valor de 22 o de 22.0007.


4.3.4. Señales discretas

Las señales discretas son aquellas que se miden en unidades o múltiplos de ellas y no en fracciones, por ejemplo cuando se cuentan las personas en una habitación se expresa el número exacto de ellas, sin manejar fracciones de personas.

Para toda señal discreta existe un valor único definido dentro de un rango.

Las señales continuas se pueden traducir en señales discretas, manejando rangos de valores. En la figura se muestra la variable de temperatura medida; en el lado izquierdo se pretende medir la temperatura en un instante to con una escala continua. En el lado derecho de la gráfica también se mide la misma variable, pero se asignan rangos de valores. Como se puede observar no importa que tan arriba o abajo del rango quede el valor de la variable, tendrá un solo valor. El ancho del rango dependerá de la precisión que se requiera.


4.3.4. Señal binaria

La señales discretas pueden subdividirse en otras señales, de acuerdo a la precisión que se refiera. En el caso anterior habíamos descrito el lenguaje como una forma de señales discretas con una infinidad de combinaciones, pero podemos subdividirla en grupos como el idioma, a su vez en el alfabeto, las vocales, la numeración, etc. Para la numeración podemos subdividirla en grupos como numeración decimal (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9), hexadecimal (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F) o binaria(0,1).

Como se puede observar con estas subdivisiones se consigue discriminar la información a unos cuantos parámetros. Las señales binarias tienen solamente dos valores existentes (0,1), y dependiendo del tipo de energía por el que se transmite esta información será como adquiera cualquiera de estos valores, es invariante el hecho, que uno de los dos valores es el contrapuesto al otro.

Para los PLC la información se procesa en modo binario, y como dijimos anteriormente, las señales son manifestaciones de energía medibles, por lo que para transmitir la información tendrá que estar codificada en un valor medible, en el caso de los PLC este valor medible esta dado en voltaje, convirtiendo la señal binaria en un estado alto o bajo de voltaje.

En la figura se muestra los rangos de voltaje por cada uno de los estados para un controlador Festo.

La señal binaria es aquella que solo puede tomar uno de dos valores


El estado alto (valor lógico 1) y el estado bajo (valor lógico 0) son la mínima unidad de información que se puede expresar, y al cual se le denomina como Bit (binary digit).

Un Bit por sí solo es incapaz de contener información compleja, para lograrlo se hacen agrupaciones de bits (normalmente son de 8 bits) a lo que se llama palabra lógica o word. Al tener un word de 8 bits las posibilidades de combinación son de 256 formas diferentes y si es necesario se puede hacer uso de más words o inclusive words de 16 bits. De esta manera es posible contener informaciones complejas en medida de la cantidad de bits que se manejen (2n) y que serán procesadas e interpretadas en la forma que sea conveniente.

En los controladores Festo se considera un valor lógico de 1 “uno” a valores de voltaje que estén dentro del rango de 17 a 30 volts, y de valor lógico 0 “cero” a valores de voltaje que estén dentro del rango de - 30 a + 7 volts. Considerándose el rango de voltaje de los 7 a los 17 volts como filtro a posibles variaciones en el voltaje de alimentación (zona de seguridad).


El tipo de señal que pueda procesar el controlador marca la compatibilidad de este con el proceso. Como ya se apunto anteriormente, el PLC debe cumplir con las características de: rangos de voltaje para las entradas y salidas, la polaridad de las señales (lógica negativa o lógica positiva), y la velocidad de procesamiento de la información que el proceso exige, para que sea conveniente su aplicación.

Se observa en la figura una palabra lógica (word), esta se compone de 8 bits, identificados arriba. A cada bit le corresponde un valor decimal llamado valor significativo, y que depende de la posición en la que se encuentre.


4.4. Comunicación con el Usuario

Algunos de los PLC más sofisticados tienen capacidad de realizar estadísticas del proceso y de acuerdo al comportamiento hacer auto-ajustes al control para conseguir la máxima eficiencia, a lo que actualmente se le conoce como sistemas inteligentes de auto aprendizaje. Es importante recordar que aunque estos sistemas puedan hacer auto-ajustes, aún su dependencia con el programador es total para poder realizar su trabajo, esto es debido a que éste es el encargado de establecer los criterios de auto-ajuste, así como la secuencias y la lógica de todo el proceso, en otras palabras. El controlador solo hará lo que el Usuario le indique que haga.

Son estas las razones por las cuales es importante que la comunicación de Usuario a PLC se realice de la forma más sencilla y clara, para evitar malas interpretaciones por cualquiera de los dos interlocutores. La comunicación con el Usuario puede llevarse acabo por diferentes medios, que dependerán de la marca, tipo y modelo del PLC.

Independientemente del medio por el cual el Usuario de las instrucciones al PLC (programador, teclado, PC, touch-screen, etcétera), se respetarán las estructuras para dar la información, es decir los protocolos de comunicación.

El protocolo de comunicación es la forma en que el PLC y el Usuario se comunicaran, inclusive entre diferentes PLC, para garantizar que la comunicación sea correcta. Los protocolos de comunicación pueden ser desde la forma en que se transmite la información por un lazo de corriente o por modulación de pulsos, o simplemente la forma que se denominará cada instrucción a través de un programa determinado.

5. Programación de un PLCLos controladores no tienen la capacidad de interpretación del lenguaje común de los hombres, así que

su lenguaje esta limitado a la numeración binaria, pero a través de dispositivos electrónicos es posible compilar la información transformándola de un lenguaje de máquina a lenguaje de Usuario, o viceversa. Sin embargo, estos compiladores también tienen sus limitantes por lo que el Usuario debe adaptarse a ciertas condiciones consideradas dentro de los protocolos de comunicación.

5.1. Operador absoluto

Una de las condiciones importantes para programar un PLC es reconocer específicamente qué entrada, salida, temporizador, contador, etcétera, se desea activar o preguntar por su estado. Para poder identificar cada uno de estos parámetros, se les asigna una dirección específica. esta dirección recibe el nombre de Operador Absoluto.

El operador absoluto es la única forma en que el PLC comprenderá a qué parámetro específico del proceso se refiere.


Los operadores absolutos describen las funciones existentes en el PLC, por ejemplo se tienen funciones de señales de entrada (I “input”), señales de salida ( O “output”), banderas ( F “flag”), contadores ( C ), temporizadores ( T ), registros ( R ), programas ( P ), etcétera.

En cada una de estas funciones existirán tantos word o bits como la capacidad misma del PLC.

5.2. Operador simbólico

En muchas ocasiones la interpretación de un programa de un PLC requiere de cierta habilidad, y el uso de los operadores absolutos dificultan la interpretación de estos programas, es por esto que se ha considerado en el PLC el uso de operadores simbólicos.

El operador simbólico es una función equivalente al operador absoluto pero que solo el Usuario podrá interpretar, para el PLC no importa el contenido de este operador inclusive puede existir o no.

6.

Lenguajes de programación


Los lenguajes de programación que existen en el mercado son muy diversos, y entre ellos el lenguaje de escalera se a convertido en el lenguaje universal de programación de los PLC, aunque pueden existir de este lenguaje algunas variantes mínimas según la marca que se trate.

La estructura general del lenguaje de escalera para la programación del PLC emula la estructura de un diagrama eléctrico de escalera, con esto se pretende una fácil interpretación por los técnicos de mantenimiento ya que ellos están bastante familiarizados con este tipo de diagramas.

En la figura se muestra un programa de diagrama de escalera, y como se puede observar la simbología representa lo que eléctricamente serían algunos contactos N.A. o N.C. al igual que bobina.

La estructura de esta programación en realidad es muy sencilla, parte de la forma: condición - acción, la parte izquierda representa todas las condiciones necesarias y suficientes para que una acción se realice. Vea el siguiente ejemplo:


7. Tipos de PLC FESTO

7.1 Mini controlador FEC (Flexible, Económico, Compacto)

Flexible:• Porque tiene 12 Entradas (24 Vcd) que pueden ser PNP o NPN en 2

grupos para poder combinarlas y 2 entradas rápidas.• Porque tiene 8 Salidas por relevador en 3 grupos.• Porque hay 2 versiones:• Alimentación a 24 Vcd• Alimentación a 110 hasta 220 Vca (Autoajustable)• (Tiene una fuente de 24 Vcd a 100 mA para entradas)• Porque se puede ampliar con 12 Entradas/8 Salidas más, • usando el mismo FEC como ampliación, reduciendo el inventario• de refacciones de los clientes.


Económico:

• La versión DC (Alimentación 24 Vcd) cuesta tan solo $340 USD (aprox.)• La versión AC (Alimentación 110-220 Vca) cuesta tan solo $409.00 USD

(aprox.)

Compacto:

Dimensiones: 130 mm ancho 80 mm alto 75 mm fondo (AC) 30 mm fondo (DC)


Además:

• 2 entradas rápidas de 4 kHz• LEDs de E/S en "Diseño nocturno” (Números iluminados).• Bornes de conexión por tornillo.• Potenciometro análogo programable (ej.: Ajuste de unTimer).• 2 lenguajes de programación (diagrama de escalera y/o listado de

instrucciones)• El código fuente se puede incluir en la memoria del FEC• En la compra de un FEC el usuario recibe FST Software GRATIS!!• 64 programas de usuario (multitasking)• 100 módulos de programa (subrutinas)• 256 contadores• 256 timers• 256 registros• 10,000 Flag Words (160,000 Flags)• No Requiere de Bateria


Configuración:

177428 FEC DC177429 FEC AC177431 Cable PC-FEC183635 Cable Expansión

Cable ExpansiónCable PC-FEC


7.2 Controlador IPC

• Es un PLC con cualidades de PC• Es un sistema de control que se puede programar en:

• Diagramas de Escalera (FST)• Lista de instrucciones (FST)• Lenguajes de PC, Tales como Basic, C, Pascal, etc.

• Puede manejar diferentes configuraciones como:• Entradas/Salidas Digitales• Entradas/Salidas Analógicas (0..10 V, 0..20 mA, 4..20 mA, otras)• Manejo de Buses industriales (FieldBus, Asi, MpRAM)• Control de Servomotores y Motores a Pasos

• Almacenamiento de Información


Posibles configuraciones de la IPC

Módulos de 8Entradas/8 Salidas

Módulos de 16Entradas

Módulos de 16 Salidas


Módulos de 8 Entradas Analógicas 0..10V, 0..20mA, 4..20mA

Módulos de 2 Salidas Analógicas

Módulos de 2 ejes para Servomotor


Módulos de 2 ejes para Motor a Pasos

Módulos de Field Bus

Módulos de ASi


Módulos de Ethernet

Módulos de CP CAN


Una vez definido el número de módulosSumar un módulo mas que corresponde a la Unidad Central HC16-FST.

Se usan Slots para acoplar los módulos


Si se tienen buses mayores a 5 sltos, debe usarse una fuente lógica


Posibles aplicaciones que se pueden ver beneficiadas con el uso de la IPC.

• Aquellos que manejen señales digitales, desde 16 hasta 288 E/S• (Sin Buses industriales).• Aquellos que requieran manejar Señales analógicas de

• 0..10V• 0..20 mA• 4..20 mA

• Aquellos que requieran manejar multiposicionamiento con• servomotores • motores a pasos

• Aquellos que requieran manejar Field Bus FESTO • con Participantes E/S • con Participantes Terminales de Válvulas Inteligentes • con Participantes Inteligentes como IPC’s, SF3

• Aquellos que requieran manejar ASi (hasta 4tarjetas, • cada tarjeta maneja 124 E/S, Total=496 E/S).

• Aquellos que nos están esperando!!!!!


8. Conclusión

Procesos complejos, precisos, eficientes y productivos requieren de un máximo control de sus variables, los tiempos de la probabilidad de error han quedado atrás. Hoy es posible tener sistemas inteligentes que se corrigen automáticamente, que aprenden de situaciones pasadas y prevén las futuras.

Los PLC son tan solo un eslabón en la gran cadena del desarrollo tecnológico de la humanidad. Podemos estar seguros que aparecerán nuevos controladores de procesos para eficientizar los recursos cada vez más escasos, para producir los satisfactores de un mundo más demandante.

Las tecnologías: láser, inteligencia artificial, manipulación, robótica, etcétera, están presentes en el campo industrial, y en los laboratorios científicos se está generando la tecnología que se usará en el futuro inmediato. A dejado de existir la tradición operativa para convertirse en toda una convulsión inventiva; la mente del hombre se ha desbocado convirtiendo en realidad su más alto sueño: la creación misma.

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