UNIDAD 6.

AUTÓMATAS PROGRAMABLES

6.1 Definición y estructura básica.

En nuestros días, los constructores de equipos de control y los ingenieros automatistas no ignoran ya nada referente a los autómatas programables con memoria “ Programable Controllers “ ( PC ). El punto de equilibrio a partir del cual su precio es comparable, o incluso inferior a los tradicionales de lógica cableada disminuye constantemente. En numerosos problemas es conveniente, pues, determinar el modo de gobierno más apropiado y con esta consideración la elección se torna cada vez más hacia los autómatas programables con memoria. Por otro lado se trata, no solamente de una cuestión de precio, sino, también de una mejora en tiempo, flexibilidad incrementada con el manejo, alta fiabilidad, localización y eliminación rápida de fallos, etc. Simultáneamente, el producto final, es decir, la maquina o la instalación equipada con uno de tales autómatas alcanza un nivel tecnológico más elevado.

Origen y perspectivas.

Los autómatas programables aparecieron en los Estados Unidos de América en los años 1969 - 70, y más particularmente en el sector de la industria del automóvil; fueron empleados en Europa alrededor de dos años más tarde. Su fecha de creación coincide, pues con le comienzo de la era del microprocesador y con la generación 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 evolución secuencial. Hay que apreciar que, cada vez más, la universalidad de los ordenadores tiende a desaparecer, el futuro parece abrirse hacia esta nueva clase de dispositivos: maquina para proceso de señales, para la gestión de bases de datos...etc.

El autómata programable es, pues en este sentido un percusor y constituye para los automatistas un esbozo de la maquina ideal.

La creciente difusión de aplicaciones de la electrónica, la fantástica disminución del precio de los componentes, el nacimiento y el desarrollo de los microprocesadores y, sobretodo, 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.

El autómata programable satisface las exigencias tanto de procesos continuos como discontinuos. Regula presiones, temperaturas, niveles y caudales así como todas las funciones asociadas de temporización, cadencia, conteo y lógica. También incluye una tarjeta de comunicación adicional, el autómata se transforma en un poderoso satélite dentro de una red de control distribuida.

El autómata programable es un aparato electrónico programable por un usuario programador y destinado a gobernar, dentro de un entorno industrial, maquinas o procesos lógicos secuenciales.

Estructura de un autómata programable.

Un autómata programable propiamente dicho está constituido por:

- Un dispositivo de alimentación : que proporciona la transformación de la energía eléctrica suministrada por la red de alimentación en las tensiones continuas exigidas por los componentes electrónicos.

- Una tarjeta procesadora : es el cerebro del autómata programable que interpreta las instrucciones que constituyen el programa grabado en la memoria y deduce las operaciones a realizar.

- Una tarjeta de memoria: contiene los componentes electrónicos que permiten memorizar el programa, los datos ( señales de entrada ) y los accionadores ( señales de salida ).

Por otro lado es necesario utilizar una consola de programación para escribir y modificar el programa, así como para los procesos de puesta a punto y pruebas. Esta consola es. Por el contrario, inútil en la explotación industrial del autómata.

 6.2 Principios de funcionamiento.

Cuando se pone en marcha el PLC se realizan una serie de comprobaciones:

• Funcionamiento de las memorias.
• Comunicaciones internas y externas.
• Elementos de E/S.
• Tensiones correctas de la fuente de alimentación.

Una vez efectuadas estas comprobaciones y si las mismas resultan ser correctas, la CPU... inicia la exploración del programa y reinicializa. Esto último si el autómata se encuentra en modo RUN (marcha), ya que de estar en modo STOP (paro) aguardaría, sin explorar el programa, hasta la puesta en RUN.

Al producirse el paso al modo STOP o si se interrumpe la tensión de alimentación durante un tiempo lo suficientemente largo, la CPU realiza las siguientes acciones:

• Detiene la exploración del programa.
• Pone a cero, es decir, desactiva todas las salidas.

Mientras se está ejecutando el programa, la CPU realiza en sucesivos intervalos de tiempo distintas funciones de diagnóstico (watch-dog en inglés). Cualquier anomalía que se detecte se reflejará en los indicadores de diagnóstico del procesador y dependiendo de su importancia se generará un código de error o se parará totalmente el sistema.

El tiempo total del ciclo de ejecución viene determinado por los tiempos empleados en las distintas operaciones. El tiempo de exploración del programa es variable en función de la cantidad y tipo de las instrucciones así como de la ejecución de subrutinas. El tiempo de exploración es uno de los parámetros que caracteriza a un PLC y generalmente se suele expresar en milisegundos por cada mil instrucciones. Para reducir los tiempos de ejecución, algunas CPU's constan de dos o más procesadores que operan simultáneamente y están dedicados a funciones específicas. También se puede descargar de tareas a la CPU incorporando módulos inteligentes dedicados a tareas específicas.

Para controlar un determinado proceso, el autómata realiza sus tareas de acuerdo con una serie de sentencias o instrucciones establecidas en un programa. Dichas instrucciones deberán haber sido escritas con anterioridad por el usuario en un lenguaje comprensible para la CPU. En general, las instrucciones pueden ser de funciones lógicas, de tiempo, de cuenta, aritméticas, de espera, de salto, de comparación, de comunicación y auxiliares.

Dependiendo del fabricante, los lenguajes de programación son muy diversos, sin embargo, suelen tener alguna relación más o menos directa con los lenguajes Ladder o GRAFCET.

Los programas para autómata pueden realizarse de forma lineal o de forma estructurada. En la programación lineal el programa consta de una serie de instrucciones que se van ejecutando una tras de otra de modo cíclico. Este modo de programación se suele emplear en programas no demasiado complejos o en autómatas que no posean el modo estructurado. Cuando los programas son muy complejos, la programación estructurada es más aconsejable ya que puede dividirse el proceso general en subprogramas con diferentes subprocesos tecnológicos. Otras de las ventajas de este modo de programación es que da un carácter más panorámico al programa, lo que conlleva una más fácil identificación de errores así como una mayor facilidad de comprensión por otros programadores.

Programar un autómata no es realmente algo imposible, pero sí se necesita paciencia. Como ejemplo tenemos un enlace en la sección de enlaces externos que conduce a una página que nos lleva a donde se encuentra un archivo hecho en java con código fuente para que se pueda analizar y comprender de una manera más sencilla cómo funciona un autómata finito determinista (AFD).

6.3 Tipos de PLC.

Los PLC pueden clasificarse, en función de sus características en:

PLC Nano:

Generalmente es un PLC de tipo compacto (es decir, que integra la fuente de alimentación, la CPU y las entradas y salidas) que puede manejar un conjunto reducido de entradas y salidas, generalmente en un número inferior a 100. Este PLC permite manejar entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales.

PLC Compacto

Estos PLC tienen incorporada la fuente de alimentación, su CPU y los módulos de entrada y salida en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas entradas y salidas hasta varios cientos (alrededor de 500 entradas y salidas), su tamaño es superior a los PLC tipo Nano y soportan una gran variedad de módulos especiales, tales como:

·         entradas y salidas análogas

·         módulos contadores rápidos

·         módulos de comunicaciones

·         interfaces de operador

·         expansiones de entrada y salid

PLC Modular:

Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador final. Estos son:

·         El Rack

·         La fuente de alimentación

·         La CPU

·         Los módulos de entrada y salida

De estos tipos de PLC existen desde los denominados Micro-PLC que soportan gran cantidad de entradas y salida, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de entradas y salidas.

6.4 Lenguajes de programación.

n lenguaje de programación es un lenguaje formal diseñado para expresar procesos que pueden ser llevados a cabo por máquinas como las computadoras.

Pueden usarse para crear programas que controlen el comportamiento físico y lógico de una máquina, para expresar algoritmos con precisión, o como modo de comunicación humana.

Está formado por un conjunto de símbolos y reglas sintácticas y semánticas que definen su estructura y el significado de sus elementos y expresiones. Al proceso por el cual se escribe, se prueba, se depura, se compila (de ser necesario) y se mantiene el código fuente de un programa informático se le llama programación.

También la palabra programación se define como el proceso de creación de un programa de computadora, mediante la aplicación de procedimientos lógicos, a través de los siguientes pasos:

·         El desarrollo lógico del programa para resolver un problema en particular.

·         Escritura de la lógica del programa empleando un lenguaje de programación específico (codificación del programa).

·         Ensamblaje o compilación del programa hasta convertirlo en lenguaje de máquina.

·         Prueba y depuración del programa.

·         Desarrollo de la documentación.

Existe un error común que trata por sinónimos los términos 'lenguaje de programación' y 'lenguaje informático'. Los lenguajes informáticos engloban a los lenguajes de programación y a otros más, como por ejemplo HTML (lenguaje para el marcado de páginas web que no es propiamente un lenguaje de programación, sino un conjunto de instrucciones que permiten estructurar el contenido de los documentos).

Permite especificar de manera precisa sobre qué datos debe operar una computadora, cómo deben ser almacenados o transmitidos y qué acciones debe tomar bajo una variada gama de circunstancias. Todo esto, a través de un lenguaje que intenta estar relativamente próximo al lenguaje humano o natural. Una característica relevante de los lenguajes de programación es precisamente que más de un programador pueda usar un conjunto común de instrucciones que sean comprendidas entre ellos para realizar la construcción de un programa de forma colaborativa.

6.5 Instrucciones tipo relevador, temporazidores, contadores.

Instrucciones de tipo relé.

Use instrucciones tipo relé (bit) para monitorear y/o controlar bits en un archivo de datos o archivo de función, tales como bits de entrada o bits de palabra de control de temporizador. A continuación se indican las instrucciones que se describen en este capítulo: Estas instrucciones efectúan operaciones en un solo bit de datos. Durante la operación, el procesador puede establecer o restablecer el bit, basado en la continuidad lógica de los renglones de lógica de escalera. Se puede direccionar un bit cuantas veces lo requiera el programa.

Instrucciones de temporizador

En los PLC´s podremos encontrar una variedad de Timers que pueden funcionar como si fueran eléctricos o electrónicos. Los más comunes son los eléctricos los cuales se clasifican en:

• Retardo en la conexión.

• Retardo en la desconexión.

 Los temporizadores permiten según el tiempo indicar las instrucciones de temporizador

Timer On Delay (TON)

Use la instrucción TON para activar y desactivar una salida después que el temporizador ha funcionado durante un intervalo de tiempo preseleccionado. La instrucción TON comienza a acumular el tiempo cuando el renglón se hace verdadero y continúa hasta que ocurre cualquiera de los siguientes eventos:

• El valor acumulado es igual al valor preseleccionado.

• El renglón se hace falso.

• Una instrucción de restablecimiento restablece el temporizador.

• El paso SFC se desactiva.

• El procesador restablece el valor acumulado cuando las condiciones del renglón se hacen falsas independientemente de que el temporizador haya sobrepasado o no el tiempo de espera.

Instrucciones de contador:

En los PLC´s podremos encontrar una variedad de contadores que pueden funcionar como si fueran eléctricos o electrónicos. Los más comunes son los eléctricos los cuales se clasifican en:

• Contador ascendente.

• Contador descendente.

Timer and Counter Reset (RES)

La instrucción RES es una instrucción de salida que restablece un temporizador o contador. La instrucción RES se ejecuta cuando su renglón es verdadero. Usted puede usar un valor preseleccionado negativo en una instrucción CTU o CTD si va a usar la instrucción RES. No obstante, tome en cuenta de que la instrucción RES pone el valor acumulado en cero, lo cual puede establecer el bit .DN y evitar que la instrucción CTU o CTD funcione la próxima vez que se habilite.

6.6 Aplicaciones del PLC en sistemas de control.

El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc. Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como:

·         Espacio reducido.

·         Procesos de producción periódicamente cambiantes.

·         Maquinaria de procesos variables.

·         Instalación de procesos complejos y amplios.

·         Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso. Su uso se da en:

·         Maniobra de máquinas

·         Maquinaria industrial de plástico

·         Máquinas transfer

·         Maquinaria de embalajes

·         Maniobra de instalaciones:

·         Instalación de aire acondicionado, calefacción...

·         Instalaciones de segurida.

·         Señalización y control:

·         Chequeo de programas

·         Señalización del estado de procesos

·         Ejemplos de Aplicaciones de un PLC

A) 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.

·         Máquinas de transferencia.

B) 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.

C) Automóvil

·         Cadenas de montaje, soldadura, cabinas de pintura, etc.

·         Máquinas herramientas: Tornos, fresadoras, taladradoras, etc.

D) Plantas químicas y petroquímicas

·         Control de procesos (dosificación, mezcla, pesaje, etc.).

·         Baños electrolíticos, oleoductos, refinado, tratamiento de aguas residuales, etc.

E) Metalurgia

·         Control de hornos, laminado, fundición, soldadura, forja, grúas,

F) Alimentación

·         Envasado, empaquetado, embotellado, almacenaje, llenado de botellas, etc.

G) Papeleras y madereras

·         Control de procesos, serradoras, producción de conglomerados y de laminados, etc.

H) Producción de energía

·         Centrales eléctricas, turbinas, transporte de combustible, energía solar, etc.

I) Tráfico

·         Regulación y control del tráfico, ferrocarriles, etc.

J) Domótica

·         Iluminación, temperatura ambiente, sistemas anti robo, etc.

K) Fabricación de Neumáticos

·         Control de calderas, sistemas de refrigeración, prensas que vulcanizan los neumáticos.

·         Control de las máquinas para el armado de las cubiertas, extrusoras de goma.

·         Control de las máquinas para mezclar goma.

 Las necesidades de la aplicación pueden ser definidas solamente por un análisis detallado del sistema completo. Esto significa que los exámenes detallados deben ser ejecutados en todas las facetas de la maquina u operación del proceso. Una última consideración importante en la aplicación de un PLC es el futuro crecimiento del sistema. Los PLC están diseñados modularmente y por lo tanto con posibilidades de poder expandirse para satisfacer las necesidades de la industria. Es importante que a la aplicación de un PLC se pueda considerar los beneficios de las futuras expansiones