Autómatas Programables

PLC (Controladores Lógicos

Programables)

AUTOMATIZACIÓN

Cuando un proceso de automatización se realiza sin la intervención humana decimos que se trata de un proceso automatizado. La automatización permite la eliminación “total” o parcial de la intervención del hombre. Los automatismos son dispositivos para realizar tareas sin la intervención humana. Algunas maquinas coma las lavadoras tienen programadores y las ordenes que proporcionan se llaman programas.

     TIPOS DE AUTOMATIZADOS

ELECTRICOSson aquellos que funcionan mediante corriente eléctrica.

HIDRAULICOSson aquellos que se transmiten a través de líquidos cuando son presionados.

NEUMÁTICOSSon aquellos que funcionan mediante la fuerza de aire comprimido.

Generalmente la mayoría de las máquinas automáticas utilizan combinaciones de mecanismos. Así pues existen automatismos electroneumáticos, automatismos electrohidráulicos y hidroneumáticos.

AUTOMATIZACIÓN A PEQUEÑA ESCALA

      Automatización de proceso: es la automatización en la cual intervienen diferentes maquinas para obtener un fin, por ejemplo un proceso de envasado.

      Sistemas de automatismos programables: Representan el grado mas elevado de la automatización y en ellos intervienen equipos informáticos y robotizados.

Todo sistema automatizado está formado por tres partes claramente diferenciadas, a saber:

• La parte operativa o proceso que se desea controlar.• La parte de control o controlador utilizado para gobernar

la parte operativa de la manera deseada.• La parte de supervisión y explotación del sistema que

servirá de interfaz entre el operador y el sistema automatizado. Genéricamente a esta función se le conoce con el acrónimo HMI del Inglés “Human Machine Interface” o interfaz hombre máquina.

Para llevar a cabo el correcto intercambio de información entre las distintas partes que integran un sistema automatizado son necesarios una serie de interfaces o líneas de comunicación.

Esquema general de un sistema automatizado

Cuando el sistema que se pretende automatizar es una vivienda o edificio, o mejor dicho, los distintos sistemas que la forman, ésta se convierte en un sistema automatizado con un esquema como el detallado anteriormente.

En este caso la parte operativa está integrada por los distintos componentes que forman las distintas instalaciones o sistemas (climatización, luces, cargas, persianas, etc.) susceptibles de ser controlados en una vivienda o edificio.

Tipos de controles de procesos:

• Control en lazo abierto.• Control en lazo cerrado.

Control en lazo abierto:

El control en lazo abierto se caracteriza porque la información o variables que controlan el proceso circulan en una sola dirección.

Control en lazo cerrado:

El control en lazo cerrado se caracteriza porque existe una realimentación a través de los sensores desde el proceso hacia el sistema de control, que permite a éste último conocer si las acciones ordenadas a los actuadores se han realizado correctamente sobre el proceso.

     VENTAJAS DE LA AUTOMATIZACIÓN

• Reduce los gastos de mano de obra, según el grado de automatización.

• Aumenta la capacidad de producción.

• Aumenta la calidad de producción ya que las maquinas automáticas son mas precisas.

• Mejora el control de la producción ya que pueden introducir sistemas automáticos de verificación.

• Permite programar la producción.

• Se reducen los incidentes laborales.

EVOLUCIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

PRINCIPIOS SIGLO XX HASTA AÑOS 50

– Orígenes con la revolución industrial.– Se utilizan elementos mecánicos y electromagnéticos (motores, relés, temporizadores, contadores).– Problema: los armarios eléctricos (armarios de control) aumentan de tamaño según se hacen automatizaciones más complejas.

AÑOS 50

– Comienzan a utilizarse los semiconductores (electrónica).– Se reduce el tamaño de los armarios eléctricos .– Se reduce el número de averías por desgaste de componentes.– Problema: falta de flexibilidad: un sistema de control sólo sirve para una aplicación específica, y no es reutilizable.

EVOLUCIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL AÑO 1968: NECESIDADES Y SOLUCIONES– Ford y General Motors plantean las especificaciones que debe cumplir un controlador electrónico programable para ser realmente útil en la industria:

• Fundamentalmente, necesidad de programación.– Bedford associates desarrolla un prototipo de controlador industrial– Puede ser considerado el primer PLC de la historia.(programmable logic controller o autómata programable industrial)– Características como las que reclamaba la industria:

• Reutilizable.• Adaptado a entornos agresivos (industria)• Fácilmente programable por técnicos eléctricos .• Implementado con electrónica de estado sólido (semiconductores)

– Los primeros PLCs se usaron para controlar procesos secuenciales (cadenas de montaje, transporte, etc).– Problema: memoria cableada, la reutilización es posible pero costosa.

EVOLUCIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

PRINCIPIOS 70: APARECE EL MICROPROCESADOR– Primeros ordenadores digitales.– Más flexibilidad por la facilidad de programación (desaparecen las memorias cableadas).– Problema: no utilizables en la industria por falta de robustez , dificultad de conexión a equipos mecánicos y dificultad de programación.

MEDIADOS 70– Los autómatas incorporan el microprocesador.– Se pueden reprogramar sin recablear (aumenta flexibilidad).– Permiten realizar cálculos matemáticos.– Se pueden comunicar con un ordenador central (ordenador encargado de controlar la planta enviando órdenes a los autómatas que gobiernan cadaproceso).

EVOLUCIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

FINALES 70: MEJORAS EN LOS AUTÓMATAS– Mayor memoria.– Capacidad de gobernar bucles de control.– Más tipos de E/S (conexión más flexible de sensores/actuadores ).– Lenguajes de programación más potentes .– Comunicaciones más potentes.

AÑOS 80: CONTINÚAN LAS MEJORAS– Mayor velocidad de proceso.– Dimensiones más reducidas.– Técnicas de control más complejas (PID, inteligente, fuzzy).– Múltiples lenguajes (contactos, lista instrucciones, GRAFCET, etc).

EVOLUCIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL ACTUALIDAD: GRAN VARIEDAD DE AUTÓMATAS– Compactos y sencillos para aplicaciones incluso domésticas :

• Abrir/cerrar puertas.• Control de iluminación o control de riego, etc.

– Gama alta• Modulares.• Grandes posibilidades de ampliación.• Prestaciones similares a las de un pequeño ordenador.

TENDENCIAS– Evolución continua de los sistemas de comunicación:

• Redes de autómatas.• producción integrada y controlada por ordenador con múltiples

autómatas.• Redes de sensores/actuadores conectadas a los autómatas (AS-

interface).• Múltiples estándares de comunicación (Profibus, ethernet

industrial, …)

Origen y Perspectivas

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

Alrededor de dos años después, fueron empleados en Europa.

Su fecha de creación coincide, por lo tanto, con el comienzo de la era del microprocesador y con la generalización de la lógica cableada modular. El autómata es la primera máquina con lenguaje, es decir, un calculador lógico cuyo juego de instrucciones se orienta hacia los sistemas de evoluciónsecuencial.

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.

CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC)

Se entiende por PLC, o Autómata Programable, a toda máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Su manejo y programación puede ser realizada por personal eléctrico o electrónico sin conocimientos informáticos.

Realiza funciones lógicas: serie, paralelo, temporizaciones, contajes y otras más potentes como cálculos, comparaciones, etc.

También se le puede definir como una “caja negra” en la que existen unos terminales de entrada a los que se conectan pulsadores, finales de carrera, sensores (inductivos, capacitivos, fotoeléctricos), etc. y unos terminales de salida a los que se conectan bobinas de relé, bobina de contactores, electroválvulas, lámparas, sirenas, etc. Donde la tarea del usuario se reduce a realizar el “programa”, que no es más que la relación entre las señales de entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida.

HARDWARE DEL PLC

La estructura básica de cualquier autómata se divide en una estructura externa una interna. La estructura externa de un autómata programable se refiere al “aspecto físico exterior del mismo”, bloques o elementos en que esta divido, etc. Desde su nacimiento y hasta nuestros días han sido varias las estructuras y configuraciones que han salido al mercado condicionadas no sólo por el fabricante del mismo, sino por la tendencia existente en el área a que perteneciese: Europea o Norteamericana.

Según su estructura actualmente existen dos tipos de PLC en el mercado:

- PLC compacto- PLC modular

I. PLC compacto:

Se distinguen por presentar “en un solo bloque todos sus elementos”, esto es fuente de alimentación, CPU, memorias, I/O, etc. En cuanto a su unidad de programación, existen tres versiones: unidad fija o enchufable directamente en el autómata; enchufable mediante cable y conector, o la posibilidad de ambas conexiones. Si la unidad de programación es sustituida por un PC, nos encontraremos con la posibilidad de conexión del mismo será mediante cable y conector.

El montaje del autómata al armario que ha de contenerlo se realiza por cualquiera de los sistemas conocidos: riel DIN, placa perforada, etc.

II. PLC modular:

Como su nombre lo indica, la estructura de este tipo de autómatas se divide en “módulos o partes” del mismo que realizan funciones especificas. Aquí cabe hacer dos divisiones para distinguir entre las que denominaremos estructura americana y europea.

La estructura americana se caracteriza por separar las I/O del resto del autómata, de tal forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU, Memoria de usuario o de programa y fuente de alimentación, y separadamente las unidades de I/O en los bloques y salidas necesario.

La estructura europea se caracteriza principalmente porque existe un modulo para cada función: fuente de alimentación, CPU, I/O, etc. La unidad de programación se une mediante cable y conector. La sujeción de los mismos se hace bien sobre riel DIN o placa perforada, sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que lo componen.

Como la estructura externa del PLC es el aspecto físico, la estructura interna corresponde a las partes en que se ordena su conjunto físico o Hardware con las funciones y el funcionamiento con cada una de ellas.

Los PLC se componen esencialmente por bloques internos los cuales se dividen en:

- Fuente de alimentación- CPU [procesador, memorias (RAM, ROM, EEPROM)]- Módulo de entrada- Módulo de salida

1. Fuente de alimentación: Es la encargada de convertir la tensión de la red, 220VAC, a baja tensión normalmente 24 VDC. Siendo esta la tensión de trabajo en los circuitos electrónicos que forma el PLC.

2. CPU: La Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema. Se encarga de recibir las órdenes, del operario por medio de la unidad de programación y el módulo de entradas.

Posteriormente las procesa para enviar respuestas al módulo de salidas. En su memoria se encuentra residente el programa destinado a controlar el proceso.

a) Procesador: El procesador está constituido por el microprocesador, el generador de impulsos de onda cuadrada o reloj y algún chip auxiliar. El procesador se monta sobre una placa de circuitos impresos en ella y junto al chip microprocesador se sitúan todos aquellos circuitos integrados que lo componen, principalmente memorias ROM del sistema o firmware.

b) Memorias: Llamamos memoria a cualquier dispositivo que nos permita almacenar información en forma de BIT (ceros y unos). En nuestro caso nos referiremos a las memorias que utilizan como soporte elementos semiconductores. No todas las memorias son iguales, se distinguen dos tipos fundamentales de memorias fabricadas con semiconductores:

- RAM: (Random Acces Memory), memoria de acceso aleatorio o memoria de lectura escritura. En este tipo de memorias se pueden realizar los procesos de lectura y escritura por procedimientos eléctricos, pero su información desaparece al faltarle la corriente.

- ROM: (Read Only Memory), memoria de solo lectura. En estas memorias se puede leer su contenido, pero no se puede escribir en ellas; los datos e instrucciones los graba el fabricante y el usuario no puede alterar su contenido. Aquí la información se mantiene ante la falta de corriente.

- EEPROM: (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), memoria de solo lectura que puede ser programable, borrable y reprogramable eléctricamente, a diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante un aparato que emite rayos ultravioletas. Son memorias no volátiles, es decir, en esta memoria la información se mantiene ante la falta de corriente o fuente de alimentación. También es conocida como memoria de programa.

3. Módulo de entradas: A este módulo se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de carrera, pulsadores, sensores, etc.). La información recibida en él, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la programación residente.

Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al módulo de entradas:

• Los captores pasivos• Los captores activos.

a) Los captadores pasivos: son aquellos que cambian su estado lógico, activado – no activado, por medio de una acción mecánica. Estos son los interruptores, pulsadores, finales de carrera, microswitch etc.

b) Los captadores activos: son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico. Este es el caso de los diferentes tipos de sensores (inductivos, capacitivos, fotoeléctricos). Muchos de estos sensores pueden ser alimentados por la propia fuente de alimentación del autómata programable.

APLICACIONES INDUSTRIALES DE UN PLC

1. MANIOBRAS DE MÁQUINAS:- Maquinaria industrial del mueble y la madera.- Maquinaria en proceso de grava, arena y cemento.- Maquinaria en la industria del plástico.- Maquinas-herramientas complejas.- Maquinaria de ensamblaje.- Maquinas de transferencia.

2. MANIOBRA DE INSTALACIONES:- Instalaciones de aire acondicionado y calefacción.- Instalaciones de seguridad.- Instalaciones de almacenamiento y transporte.- Instalaciones de plantas embotelladoras.- Instalaciones en la industria automotriz.- Instalación de tratamientos térmicos.- Instalaciones de la industria azucarera.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UN PLC

No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, debido principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y a las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones nos obligan a referirnos a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.

1. VENTAJAS DEL PLC:a) Menor tiempo de elaboración de proyectos debido a

que:• No es necesario dibujar el esquema de contactos.• No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas,

ya que, por lo general, la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.

• La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc.

b) Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.

c) Mínimo espacio de ocupación.d) Menor costo de mano de obra de la instalación.e) Economía de mantenimiento. Además de aumentar la

fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden detectar e indicar averías.

f) Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.

g) Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado.

h) Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.

2. DESVENTAJAS DEL PLC:

a) Como inconvenientes podríamos decir, en primer lugar, que hace falta un programador, lo que obliga a uno de los técnicos capacitarse en tal sentido.

b) Pero hay otro factor importante, como el costo inicial, que puede o no ser un inconveniente, según las características del automatismo en cuestión.

c) Dado que el PLC cubre ventajosamente un amplio espacio entre la lógica cableada y el microprocesador, es preciso que el proyectista lo conozca tanto en su amplitud como en sus limitaciones.

d) Por tanto, aunque el costo inicial debe ser tenido en cuenta a la hora de decidirnos por uno u otro sistema, conviene analizar todos los demás factores para asegurarnos una decisión acertada.