definición de automatas programables

Universidad Tecnolgica de Chile Antofagasta

Autmatas y Controladores Industriales

Introduccin a los Autmatas ProgramablesHasta no hace mucho tiempo el control de procesos industriales se vena haciendo de forma cableada por medio de contactores y rels. Al operario que se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exiga tener altos conocimientos tcnicos para poder realizarlas y posteriormente mantenerlas. El desarrollo e introduccin de los rels, fue un paso gigantesco hacia la automatizacin e incremento de la produccin. La aplicacin de los rels hizo posible aadir una serie de lgica a la operacin de las mquinas y de esa manera reducir la carga de trabajo en el operador, y en algunos casos eliminar la necesidad de operadores humanos. Por ejemplo, los rels hicieron posible establecer automticamente una secuencia de operaciones, programar tiempos de retardo, conteo de eventos o hacer un evento dependiente de que ocurrieran otros. Los rels con todas sus ventajas, tienen tambin naturalmente sus desventajas, tienen slo un perodo de vida; su naturaleza electromecnica dictamina, que despus de un tiempo de uso sern inservibles, sus partes conductores de corriente pueden en un momento quemarse o fundirse, desbaratando la lgica establecida y requiriendo su reemplazo. Tal vez la inconveniencia ms importante de la lgica con rels es su naturaleza fija. La lgica de un panel de rels es establecida por los ingenieros de diseo, se implementa entonces colocando rels en el panel y se alambra como se prescribe. Mientras que la mquina dirigida por el panel de rels continua llevando a cabo los mismos pasos en la misma secuencia, todo est perfecto, pero cuando existe un re diseo en el producto o un cambio de produccin en las operaciones de esa mquina o en su secuencia, la lgica del panel debe ser re diseada. Si el cambio es lo suficientemente grande, una opcin ms econmica puede ser desechar el panel actual y construir uno nuevo.

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Este fue el problema encarado por los productores de automviles a mediados de los setenta. A lo largo de los aos se haban altamente automatizado las operaciones de produccin mediante el uso de los rels, cada vez que se necesitaba un cambio, se inverta en l una gran cantidad de trabajo, tiempo y material, sin tomar en cuenta la gran cantidad de tiempo de produccin perdido. La computadora ya exista en esos tiempos y se le dio la idea a los fabricantes de que la clase de control que ellos necesitaban podra ser llevado a cabo con algo similar a la computadora. Las computadoras en s mismas, no eran deseables para esta aplicacin por un buen nmero de razones. La comunidad electrnica estaba frente a un gran reto: disear un artefacto que, como una computadora, pudiese efectuar el control y pudiese fcilmente ser re programada, pero adecuado para el ambiente industrial. El reto fue enfrentado y alrededor de 1969, se entreg el primer controlador programable en las plantas ensambladoras de automviles de Detroit, Estados Unidos.

Definicin de un Autmata ProgramableUn Controlador Lgico Programable no es ms que un aparato electrnico diseado para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. A l se conectan los captadores (finales de carrera, pulsadores, etc...) por una parte, y los actuadores (bobinas de contactores, lmparas, alarmas, rels, etc) por otra. De acuerdo con la definicin de la "Nema" (National Electrical Manufacturers Association) un Controlador Lgico Programable es: "Un aparato electrnico operado digitalmente, que usa una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones para implementar funciones especficas, tales como lgica, secuenciacin, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritmticas para controlar, a travs de mdulos de entrada/salida digitales (ON/OFF) o analgicos (1 5 VDC, 4 20 mA, etc.), varios tipos de mquinas o procesos.

ENTRADAS

PROGRAMA

SALIDAS


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Arquitectura Bsica de un Sistema de ControlUn sistema de control que emplea un PLC puede esquematizarse como se muestra a continuacin: A C T U A D O R E

PROCESO A CONTROLAR

S E N S O R E S

T

S

PLC

E

VISUALIZACION

Vemos aqu un esquema de un proceso controlado por un PLC. El proceso est caracterizado por N variables X1 ..... Xn. Existen tambin T entradas al PLC, correspondiendo cada una a un sensor de alguna de las variables del proceso y S salidas del PLC que llegan a cada uno de los actuadores. Estos actuadores son dispositivos de diferente tipo que permiten modificar el estado del sistema tal como lo define el conjunto de sus variables carartersticas. Por ejemplo: si el sistema fuera un reactor qumico y consideramos la variable temperatura, el actuador podra ser un calefactor y el sensor correspondiente un termostato de tipo bimetlico si estuviermos limitados a entradas lgicas, o una termocupla o una termoresistencia, si dispusiramos de entradas adecuadas a alguno de estos dispositivos.

Con la estructura mostrada en el esquema, la operacin de nuestro control de temperatura con PLC sera el siguiente : el PLC lee permanentemente la entrada correspondiente al sensor de temperatura, Prof. Fabin Mora Arqueros Pgina 3



cuando encuentra que la temperatura es menor a la deseada, conecta el calefactor y lo desconecta cuando es mayor a la deseada. Podra, adems utilizarse otra salida para activar una alarma cuando la temperatura esta fuera de tolerancia mas de un determinado tiempo.Si tuviramos la posibilidad de trabajar con un PLC con entradas y salidas analgicas, podramos implementar estrategias de control mucho ms elaboradas, como por ejemplo control PID, control adaptativo, etc. El bloque indicado como VISUALIZACION en el diagrama anterior puede no estar presente en todos los sistemas. Por la sencillez del ejemplo previo, quiz no puedan apreciarse todas las ventajas que la incorporacin de un PLC al control de un proceso industrial pueda brindar, sin embargo si se considera que el mismo PLC puede controlar simultneamente varios lazos como el descrito, adems de funciones de secuenciamiento, coordinacin con otros procesos, visualizacin de estados, alarmas, etc., todo integrado en un solo gabinete, y que adems es reprogramable para adaptarse a posibles cambios en el diseo con facilidad, se comprende la importancia que tienen hoy en da los PLC en la automatizacin industrial.

Campos de AplicacinUn autmata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las siguientes necesidades: Espacio reducido. Procesos de produccin peridicamente cambiantes. Procesos secuenciales. Maquinaria de procesos variables. Instalaciones de procesos complejos y amplios. Chequeo de programacin centralizada de las partes del proceso.

Aplicaciones generales: Maniobra de mquinas. Maniobra de instalaciones. Prof. Fabin Mora Arqueros Pgina 4



Sealizacin y control. Esto se refiere a los autmatas programables industriales, dejando de lado los pequeos autmatas para uso ms personal (que se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el hogar, como la puerta de una cochera o las luces de la casa).

Ventajas e Inconvenientes de los PLCsVentajas: Menor tiempo de elaboracin de proyectos. Posibilidad de aadir modificaciones sin costo aadido en otros componentes. Mnimo espacio de ocupacin. Menor costo de mano de obra. Mantenimiento econmico. Posibilidad de gobernar varias mquinas con el mismo autmata. Menor tiempo de puesta en funcionamiento. Si el autmata queda pequeo para el proceso industrial puede seguir siendo de utilidad en otras mquinas o sistemas de produccin. Desventajas: Adiestramiento de tcnicos. Costo. Hasta el da de hoy los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas la carreras de ingeniera incluyen la automatizacin como una de sus asignaturas. En cuanto al costo tampoco hay problema, ya que hay autmatas para todas las necesidades y a precios ajustados.

ARQUITECTURA DE LOS AUTMATAS PROGRAMABLESProf. Fabin Mora Arqueros Pgina 5



Estructura de los PLCDebido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones, en su capacidad, en su aspecto fsico y otros, es que es posible clasificar los distintos tipos en varias categoras. PLC tipo Nano: Generalmente PLC de tipo compacto (Fuente, CPU e I/O integradas) que puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un nmero inferior a 100. Permiten manejar entradas y salidas digitales y algunos mdulos especiales.

PLC tipo Compactos: Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentacin, su CPU y mdulos de I/O en un solo mdulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos ( alrededor de 500 I/O ) , su tamao es superior a los Nano PLC y soportan una gran variedad de mdulos especiales, tales como: entradas y salidas anlogas mdulos de comunicaciones expansiones de I/O mdulos contadores rpidos interfaces de operador


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PLC tipo Modular: Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador final, estos son: o Rack o Fuente de Alimentacin o CPU o Mdulos de I/O De estos tipos existen desde los denominados MicroPLC que soportan gran cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de I/O.

Estructura Interna de un PLC


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PARTES DE UN AUTMATA PROGRAMABLE La estructura bsica de cualquier autmata es la siguiente:o o o o o o

Fuente de alimentacin CPU Mdulo de entrada Mdulo de salida Terminal de programacin Perifricos.

1. Fuente de alimentacin: Es la encargada de convertir la tensin de la red, 220 V C.A., a baja tensin de C.C, normalmente 24 V, siendo sta la tensin de trabajo en los circuitos electrnicos que forma el Autmata.

2. CPU: La Unidad Central de Procesos es el autntico cerebro del sistema. Se encarga de recibir las ordenes, del operario por medio de la consola de programacin y el modulo de entradas. Posteriormente las procesa para enviar respuestas al mdulo de salidas. En su memoria se encuentra residente el programa destinado a controlar el proceso. Sus funciones son: Vigilar que el tiempo de ejecucin del programa de usuario no excede un determinado tiempo mximo (tiempo de ciclo mximo). A esta funcin se le suele denominar Watchdog (perro guardin). Ejecutar el programa de usuario. Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas. Renovar el estado de las salidas en funcin de la imagen de las mismas obtenida al final del ciclo de ejecucin del programa de usuario. Chequeo del sistema. Para ello el autmata va a poseer un ciclo de trabajo, que ejecutar de forma continua:


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El autmata va a ejecutar nuestro programa de usuario en un tiempo determinado, el cual va a depender sobre todo de la longitud del programa. Esto es debido a que cada instruccin tarda un tiempo determinado en ejecutarse, por lo que en procesos rpidos ser un factor crtico. En un sistema de control mediante autmata programable tendremos los siguientes tiempos: 1. 2. 3. 4. 5. Retardo de entrada. Vigilancia y exploracin de las entradas. Ejecucin del programa de usuario. Transmisin de las salidas. Retardo en salidas.

Los puntos 2,3 y 4 sumados dan como total el tiempo de ciclo del autmata. Tras este ciclo es cuando se modifican las salidas, por lo que si varan durante la ejecucin del programa tomarn como valor el ltimo que se haya asignado. Esto es as debido a que no se manejan directamente las entradas y las salidas, sino una imagen en memoria de las mismas que se adquiere al comienzo del ciclo (2) y se modifica al final de ste (retardo). En la etapa de vigilancia (watchdog) se comprueba si se sobrepas el tiempo mximo de ciclo, activndose en caso afirmativo la seal de error correspondiente.Imagen de Entradas

Entradas

Ejecucin del Programa Usuario

Imagen de Salidas

Salidas

Watchdog


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3. Memorias: Dentro de la CPU vamos a disponer de un rea de memoria, la cual se emplea para diversas funciones: a. Memoria del programa de usuario: aqu introduciremos el programa que el autmata va a ejecutar cclicamente. b. Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas segn el tipo de datos (como marcas de memoria, temporizadores, contadores, etc.). c. Memoria del sistema: aqu se encuentra el programa en cdigo mquina que monitoriza el sistema (programa del sistema o firmware). Este programa es ejecutado directamente por el microprocesador/microcontrolador que posea el autmata. d. Memoria de almacenamiento: se trata de memoria externa que empleamos para almacenar el programa de usuario, y en ciertos casos parte de la memoria de la tabla de datos. Suele ser de uno de los siguientes tipos: EPROM, EEPROM, o FLASH. e.

Unidades de Entradas y SalidasSe dispone de dos tipos de E/S: Digital o Discreto. Analgica. Las E/S digitales se basan en el principio de todo o nada, es decir o no conducen seal alguna o poseen un nivel mnimo de tensin. Estas E/S se manejan a nivel de bit dentro del programa de usuario. Las E/S analgicas pueden poseer cualquier valor dentro de un rango determinado especificado por el fabricante. Se basan en conversores A/D y D/A aislados de la CPU (pticamente o por etapa de potencia). Estas seales se manejan a nivel de byte o palabra (8/16 bits) dentro del programa de usuario. Mdulos de Entradas A este mdulo se unen elctricamente los captadores (interruptores, finales de carrera, pulsadores, etc). La informacin recibida en l, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la programacin residente. Prof. Fabin Mora Arqueros Pgina 10



Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al mdulo de entradas: los Pasivos y los Activos. Los Captadores Pasivos: son aquellos que cambian su estado lgico, activado - no activado, por medio de una accin mecnica. Estos son los Interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc. Captadores pasivos

Los Captadores Activos: son dispositivos electrnicos que necesitan ser alimentados por una tensin para que varen su estado lgico. Este es el caso de los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoelctricos). Captadores Activos

Mdulo de salidas: El mdulo de salida del autmata es el encargado de activar y desactivar los actuadores (bobinas de contactores, lmparas, motores pequeos, etc.). La informacin enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada, se enva al mdulo de salidas para que estas sean activadas y a la vez los actuadores que en ellas estn conectados. Segn el tipo de proceso a controlar por el autmata, podemos utilizar diferentes mdulos de salidas. Existen tres tipo bien diferenciados: A rels. A triac. A transistores.


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Mdulos de salidas a rels: Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Estn basados en la conmutacin mecnica, por la bobina del rel, de un contacto elctrico normalmente abierto.

. Mdulos de salidas a Triacs: Se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna que necesiten maniobras de conmutacin muy rpidas.

Mdulos de salidas a Transistores a colector abierto. El uso del este tipo de mdulos es exclusivo de los circuitos de C.C. Igualmente que en los de Triacs, es utilizado en circuitos que necesiten maniobras de conexin/desconexin muy rpidas.

Resistencia


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La forma de conectar los actuadores a los mdulos de salidas, depender del tipo de mdulo utilizado. Estos son algunos ejemplos:

Terminal de ProgramacinEl terminal o consola de programacin es el que permite comunicar al operario con el sistema. Las funciones bsicas de ste son las siguientes: Transferencia y modificacin de programas. Verificacin de la programacin. Informacin del funcionamiento de los procesos. Como consolas de programacin pueden ser utilizadas las construidas especficamente para el autmata, tipo calculadora o bien un ordenador personal, PC, que soporte un software especialmente diseado para resolver los problemas de programacin y control.

Terminal de programacin porttil

Terminal de programacin compatible PC


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PerifricosEl autmata programable, en la mayora de los casos, puede ser ampliable. Las ampliaciones abarcan un gran abanico de posibilidades, que van desde las redes internas (LAN, etc.), mdulos auxiliares de E/S, memoria adicional... hasta la conexin con otros autmatas del mismo modelo.

Cada fabricante facilita las posibilidades de ampliacin de sus modelos, los cuales pueden variar incluso entre modelos de la misma serie.

Mdulos EspecialesExiste gran cantidad de funciones especiales que no son soportadas por los mdulos normales en los PLC, para estas situaciones los fabricantes ofrecen una gran variedad de elementos adicionales que permiten incorporar funciones especiales al PLC para nuestros procesos.

Mdulos de I/O Anlogos: Estos mdulos permiten manejar entradas y salidas anlogas en nuestro PLC de manera de poder efectuar lecturas y control analgico de variables en nuestros procesos, estas entradas y salidas analgicas se caracterizan, generalmente por: Resolucin: Depende de la cantidad de bits del conversor utilizado, generalmente se requiere una resolucin no inferior a 10 bits. Tiempo de Conversin: Corresponde al tiempo empleado en convertir el valor analgico en su correspondiente valor discreto. Este es un factor muy importante ya que define el tipo de aplicacin para el cual puede emplearse el modulo. Generalmente en control Prof. Fabin Mora Arqueros Pgina 14



de procesos, la velocidad de variacin de las variables es relativamente lenta, sobre 1 segundo, por lo cual las exigencias de velocidad en los mdulos analgicos no son muy exigentes. Generalmente razones de conversin del orden de los milisegundos es suficiente. Nmero de Canales: Corresponde a la cantidad de entradas o salidas que puede manejar el mdulo, generalmente estn agrupadas en 4 o ms I/O. Tambin existen agrupaciones de entradas y salidas agrupadas en un solo mdulo. Tipo de Entrada: Corresponde al tipo de entrada que es posible manejar el mdulo, estas pueden ser Entrada o Salida en Corriente, 4-20 mA, 0-20 mA, en tensin , 0-10v, -10 ->+10 v, termocuplas, Pt100, etc. Los primeros mdulos analgicos que se incorporaron a los PLC solo podan manejar un determinada tipo de entrada, sin embargo hoy en da es posible encontrar mdulos de propsitos generales configurables por Software que permiten combinar distintos tipos de entrada o de salida. Mdulos de Comunicaciones y Red La mayora de las aplicaciones hoy en da ya no pueden considerarse aplicaciones aisladas en el proceso global , ms an, es necesario supervisar y monitorear las distintas variables que intervienen en el proceso. Generalmente para la visualizacin o monitoreo de variables en un PLC se puede optar por una Pantalla de Dialogo Hombre-Mquina o por la comunicacin hacia un computador personal con software dedicado de desarrollo local o software de supervisin grfica comercial. Cualquiera de las alternativas elegidas, cada una de ellas requiere de interfaces de comunicaciones apropiadas para el establecimiento de la comunicacin. Una de las alternativas para esto, es la incorporacin de mdulos de comunicaciones individuales para comunicacin punto a punto, multipunto o para la integracin a una Red de Computadores. Los ms comunes son:

Mdulos de Comunicacin Asncrona: Prof. Fabin Mora Arqueros Pgina 15



Estos mdulos estn destinados a la comunicacin del PLC con dispositivos perifricos que puedan soportar un enlace de comunicaciones de tipo serial. Podemos distinguir en esta categora dos tipos de interfaces: Modulo de Comunicacin Asncrona Punto a Punto RS-232: con la cual podemos comunicarnos con cualquier dispositivo que soporte la norma RS-232, tales como: Computadores personales, pantallas de dialogo, otros PLC, impresoras seriales, etc. Este tipo de comunicacin se caracteriza por estar diseado para enlaces de tipo punto a punto y a distancias relativamente pequeas, generalmente para un mximo de 18 mts., los parmetros que caracterizan este tipo de comunicaciones son: Velocidad Paridad Bits de datos Bits de Parada Distancia Control de Flujo Cuando se requieren velocidades mayores, es posible aumentar la distancia mediante dispositivos especiales denominados LANDRIVERS. Estos permiten alcanzar distancias de varios Kilmetros a razones de transferencia mxima de 9600 bps. Mdulos de comunicacin Multipunto: Estos se caracterizan por soportar la conexin de varias estaciones trabajando en un esquema Maestro-Esclavo. Las velocidades de transferencia son muy elevadas, 1 Mbps, y las distancia abarcadas son cercanas a 1 kilmetro. Se distinguen dos tipos: RS-422 RS-485 La RS-422 es una interfaz multipunto que puede soportar hasta 32 estaciones con una velocidad de transferencia de 1 Mbps, hasta una distancia de aprox. 1 kilmetro en 2 o 4 hilos (half-duplex, fullduplex). La RS-485 es una mejora de la RS-422 en una versin Half-duplex (2 hilos) que tiene un mejor performance en sus caracterstica elctricas.


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Mdulos de Red Propietarias: Los mdulos de Red propietarias son mdulos de comunicaciones destinados a la comunicacin de PLC de una marca en particular, no estn regidos por ninguna norma internacional y son diseados por el fabricante para sus propios dispositivos. Modulo de Red Comerciales: Los mdulos de Red comerciales, son mdulos de comunicaciones con normas internacionales que incorporan los fabricantes de PLC para la integracin de sus propios sistemas como tambin para la integracin con sistemas de redes comerciales y de otros fabricantes.

Direccionamiento de Entradas y SalidasComo existen una gran cantidad de I/O y estas pueden estar alojadas en diferentes mdulos, nace la necesidad de indicarle a la CPU, mediante nuestro programa, la referencia exacta de la entrada o salida con la que queremos interactuar. Al mecanismo de identificacin de I/O en los PLC se le denomina direccionamiento de entradas y salidas. El direccionamiento de I/O varia de marca en marca, inclusive de modelo en modelo en los PLC, pero generalmente, la mayora de los fabricantes adopta una terminologa que tiene relacin con la ubicacin fsica de la I/O. Veamos algunos ejemplos: PLC ENTRADAS SAL DISCRETAS ANALGICAS DISCRETAS I: I: O: SLOT/CANAL SLOT.PALABRA SLOT/CANAL EJ: Ej: EJ: IDAS ANALGICAS O: SLOT/CANAL EJ:

ALLEN O:4/3 :Indica O:4.3 :Indica BRADLEY I:2/1 :Indica I:3.1 :Indica Slot 2, canal Slot 3, canal 1 Slot 4, canal Slot 4, canal 3 1 3


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1xxxxx Ej: MODICON 100001: Indica entrada, canal 1 Ix Ej: ZELIO I1: Indica entrada

3xxxxx Ej: 30001: Indica contenido registro Ix Ej: IB: Indica contenido registro

0xxxxx Ej: 000005: Indica salida, canal 5 Qx Ej: Q1: Indica salida.

4xxxxx Ej: 40003: Indica contenido registro Qxxxx Ej: QB XT2: Indica contenido registro

Cuestionario Responda las siguientes preguntas a) Que es un PLC? b) Cuales son los componentes principales de un PLC? c) Cuales son los tipos de PLC? d) Por qu se debe hacer el direccionamiento? e) Nombre algunos tipos de memoria para almacenamiento. f) Para qu sirven los mdulos de comunicacin? g) Nombre elementos captadores y actuadores. h) Nombre algunos tipos de seales. i) Diferencie entre el PLC y el DCS j) Realice la siguiente Programacin: En este ejercicio se espera que UD. pueda resolver la siguiente secuencia de un programa segn lo establecido, con direccionamiento respectivo. Prof. Fabin Mora Arqueros Pgina 18



Realice la programacin de la siguiente situacin: Una botonera que tenga partida y parada debe activar una secuencia. Una alarma que debe funcionar por 5 seg. y a la vez una luz en forma intermitente con medio seg. Entre el encendido y apagado Pasados los 5 seg. la alarma y luz debe apagarse y debe accionar una correa transportadora CT-01. Despus 3 segundos accionada CT-01 debe accionar un Chancador CH-01, sin apagar CT-01. Luego de 5 segundos de accionado el chancador CH-01, se accionar otra correa CT-02, sin apagar CH-01. La programacin debe indicar el direccionamiento de las entradas y salidas, adems debe utilizar marcas como memorias internas.

CT-01

CH-01 CT-02


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