Sistemas de Control

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INTRODUCCIÓN
Hasta no hace mucho tiempo el control de procesos industriales se venia
haciendo de forma cableada por medio de contactores y relés. Al operario que
se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exigía tener altos
conocimientos técnicos para poder realizarlas y posteriormente mantenerlas.
Además cualquier variación en el proceso suponía modificar físicamente gran
parte de las conexiones de los montajes, siendo necesario para ello un gran
esfuerzo técnico y un mayor desembolso económico.
En la actualidad no se puede entender un proceso complejo de alto nivel
desarrollado por técnicas cableadas. El ordenador y los autómatas
programables ha intervenido de forma considerable para que este tipo de
instalaciones se haya visto sustituidas por otras controladas de forma
programada.
El Autómata Programable Industrial (PLC) nació como solución al control de
circuitos complejos de automatización. Por lo tanto se puede decir que un
PLC 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.
Es en 1968 cuando es creado el primer PLC por GOULD, para el control de
líneas de la GMC en ese entonces.
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1.- HISTORIA DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES
Los PLC's se introdujeron por primera vez en la industria en 1960
aproximadamente. La razón principal de tal hecho fue la necesidad de
eliminar el gran costo que se producía al reemplazar el complejo sistema de
control basado en relés y contactores. Bedford Associates propuso algo
denominado Controlador Digital Modular (MODICON, MOdular DIgital
CONtroler) a un gran fabricante de coches. Otras compañías propusieron a la
vez esquemas basados en ordenador, uno de los cuales estaba basado en el
PDP-8. El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo en ser
producido comercialmente.
El problema de los relés era que cuando los requerimientos de producción
cambiaban también lo hacía el sistema de control. Esto comenzó a resultar
bastante caro cuando los cambios fueron frecuentes. Dado que los relés son
dispositivos mecánicos y poseen una vida limitada se requería una estricta
manutención planificada. Por otra parte, a veces se debían realizar conexiones
entre cientos o miles de relés, lo que implicaba un enorme esfuerzo de diseño
y mantenimiento.
Los "nuevos controladores" debían ser fácilmente programables por
ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida debía ser
largo y los cambios en el programa tenían que realizarse de forma sencilla.
Finalmente se imponía que trabajaran sin problemas en entornos industriales
adversos. La solución fue el empleo de una técnica de programación familiar
y reemplazar los relés mecánicos por relés de estado sólido.
A mediados de los 70 las tecnologías dominantes de los PLC eran máquinas
de estado secuenciales y CPU basadas en desplazamiento de bit. Los AMD
2901 y 2903 fueron muy populares en el Modicon y PLC's A-B. Los
microprocesadores convencionales cedieron la potencia necesaria para
resolver de forma rápida y completa la lógica de los pequeños PLC's. Por cada
modelo de microprocesador había un modelo de PLC basado en el mismo. No
obstante, el 2903 fue de los más utilizados.
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Las habilidades de comunicación comenzaron a aparecer en 1973
aproximadamente. El primer sistema fue el bus Modicon (Modbus).
El PLC podía ahora dialogar con otros PLC's y en conjunto podían estar
aislados de las máquinas que controlaban. También podían enviar y recibir
señales de tensión variables, entrando en el mundo analógico.
Desafortunadamente, la falta de un estándar acompañado con un continuo
cambio tecnológico ha hecho que la comunicación de PLC's sea un
maremagnum de sistemas físicos y protocolos incompatibles entre si. No
obstante fue una gran década para los PLC's.
En los 80 se produjo un intento de estandarización de las comunicaciones con
el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General Motor's.
También fue un tiempo en el que se redujeron las dimensiones del PLC y se
pasó a programar con programación simbólica a través de ordenadores
personales en vez de los clásicos terminales de programación. Hoy día el PLC
más pequeño es del tamaño de un simple relé.
Los 90 han mostrado una gradual reducción en el número de nuevos
protocolos, y en la modernización de las capas físicas de los protocolos más
populares que sobrevivieron a los 80. El último estándar (IEC 1131-3) intenta
unificar el sistema de programación de todos los PLC en un único estándar
internacional. Ahora disponemos de PLC's que pueden ser programados en
diagramas de bloques, lista de instrucciones, C y texto estructurado al mismo
tiempo.
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2.- DEFINICION DE AUTOMATA PROGRAMABLE
Se entiende por controlador lógico programable (PLC), o autómata
programable, a toda máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo
real y en medio industrial procesos secuenciales.
Esta definición se está quedando un poco desfasada, ya que han aparecido los
micro-plc's, destinados a pequeñas necesidades y al alcance de cualquier
persona.
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3.- FUNCIONES Y APLICACIONES DEL PLC
Este dispositivo electrónico sirve como una computadora especializada,
diseñada para controlar máquinas y procesos en ambientes industriales
operando en tiempo real.
El PLC es un dispositivo electrónico digital que utiliza una memoria
programable para almacenar instrucciones y para implementar funciones
específicas tales como funciones lógicas, secuenciales, de temporarización, de
conteo y aritméticas para controlar máquinas y procesos.
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 generales:
• Maniobra de máquinas.
• Maniobra de instalaciones.
• Señalización y control.
Tal y como mencionamos 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).
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4.- VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS PLC'S
Entre la ventajas tenemos:
• Menor tiempo de elaboración de proyectos.
• Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros
componentes.
• Mínimo espacio de ocupación.
• Menor costo de mano de obra.
• Mantenimiento económico.
• Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata.
• Menor tiempo de puesta en funcionamiento.
• Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial puede seguir
siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.
Y entre los inconvenientes:
• Adiestramiento de técnicos.
• Costo.
A día de hoy los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas la carreras
de ingeniería incluyen la automatización como una de sus asignaturas. En
cuanto al costo tampoco hay problema, ya que hay autómatas para todas las
necesidades y a precios ajustados.
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5.- PARTES DE UN AUTOMATA PROGRAMABLE
Equipo de
comunicaciones
(Radio)
Fuente de
alimentación
CPU
Módulo de
entrada
Módulo
de Salida
Tablero
eléctrico
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La estructura básica de cualquier autómata es la siguiente:
• Fuente de alimentación
• CPU
• Módulo de entrada
• Módulo de salida
• Terminal de programación
• Periféricos.
Respecto a su disposición externa, los autómatas pueden contener varias de
estas secciones en un mismo módulo o cada una de ellas separadas por
diferentes módulos. Así se pueden distinguir autómatas Compactos y
Modulares.
Fuente de alimentación
Es la encargada de convertir la tensión de la red, 220v c.a., a baja tensión de
c.c, normalmente 24 v. Siendo esta la tensión de trabajo en los circuitos
electrónicos que forma el Autómata.
CPU
La Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema.
Se encarga de recibir las ordenes, del operario por medio de la consola de
programación y el modulo 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.
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Sus funciones son:
• Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no excede
un determinado tiempo máximo (tiempo de ciclo máximo). A esta
función se le suele denominar Watchdog (perro guardián).
• 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 función de la imagen de las mismas
obtenida al final del ciclo de ejecución del programa de usuario.
• Chequeo del sistema.
Para ello el autómata va a poseer un ciclo de trabajo, que ejecutará de forma
continua:
Imagen de
las entradas
Entradas
Ejecución
del programa
de usuario
Imagen de
las salidas
WATCHDOG
Ejecución de
las salidas
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Modulo de entradas
A este módulo se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de
carrera, pulsadores,...).
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 Pasivos y los Activos.
Captadores Pasivos
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, etc.
Captadores Activos
Los Captadores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser
alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico.
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Este es el caso de los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos,
Fotoeléctricos). Muchos de estos aparatos pueden ser alimentados por la
propia fuente de alimentación del autómata.
El que conoce circuitos de automatismos industriales realizados por
contactores, sabrá que puede utilizar, como captadores, contactos
eléctricamente abiertos o eléctricamente cerrados dependiendo de su función
en el circuito. Como ejemplo podemos ver un simple arrancador paro/marcha.
En él se distingue el contacto usado como pulsador de marcha que es
normalmente abierto y el usado como pulsador de parada que es normalmente
cerrado.
Sin embargo en circuitos automatizados por autómatas, los captadores son
generalmente abiertos.
El mismo arrancador paro/marcha realizado con un autómata es el de la figura
En él se ve que ambos pulsadores y el relé térmico auxiliar son abiertos.
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Modulo de salidas
El modulo de salidas del autómata es el encargado de activar y desactivar los
actuadores (bobinas de contactores, lámparas, motores peque os, etc).
La información enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada, se
envía al módulo de salidas para que estas sean activadas y a la vez los
actuadores que en ellas están conectados.
Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar
diferentes módulos de salidas.
Existen tres tipo bien diferenciados:
- A relés.
- A triac.
- A transistores.
Módulos de salidas a relés.
Módulos de salidas a relés.
Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Están basados en
la conmutación mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico
normalmente abierto.
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Módulos de salidas a Triacs.
Módulos de salidas a Triacs.
Se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna que
necesiten maniobras de conmutación muy rápidas.
Módulos de salidas a Transistores a colector abierto.
Módulos de salidas a
Transistores a colector
abierto
El uso del este tipo de módulos es exclusivo de los circuitos de c.c.
Igualmente que en los de Triacs, es utilizado en circuitos que necesiten
maniobras de conexión/desconexión muy rápidas.
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Terminal de programación
Terminal de programación
El terminal o consola de programación es el que permite comunicar al
operario con el sistema.
Las funciones básicas de éste son las siguientes:
- Transferencia y modificación de programas.
- Verificación de la programación.
- Información del funcionamiento de los procesos.
Como consolas de programación pueden ser utilizadas las construidas
específicamente para el autómata, tipo calculadora o bien un ordenador
personal, PC, que soporte un software especialmente diseñado para resolver
los problemas de programación y control.
Periféricos
Terminal de programación
Panel de Operación
Conexión de un visualizador a un
autómata
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Los periféricos no intervienen directamente en el funcionamiento del
autómata, pero sin embargo facilitan la labor del operario.
El autómata programable, en la mayoría de los casos, puede ser ampliable.
Las ampliaciones abarcan un gran abanico de posibilidades, que van desde las
redes internas (LAN, etc.), módulos auxiliares de E/S, memoria adicional...
hasta la conexión con otros autómatas del mismo modelo.
Los más utilizados son:
- Grabadoras a cassettes.
- Impresoras.
- Cartuchos de memoria EEPROM.
- Visualizadores y paneles de operación OP
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6.- EQUIPOS O UNIDADES DE PROGRAMACIÓN
El autómata debe disponer de alguna forma de programación, la cual se suele
realizar empleando alguno de los siguientes elementos:
• Unidad de programación: suele ser en forma de calculadora. Es la
forma más simple de programar el autómata, y se suele reservar para
pequeñas modificaciones del programa o la lectura de datos en el lugar
de colocación del autómata.
• Consola de programación: es un terminal a modo de ordenador que
proporciona una forma más cómoda de realizar el programa de usuario
y observar parámetros internos del autómata. Desfasado actualmente.
• PC: es el modo más potente y empleado en la actualidad. Permite
programar desde un ordenador personal estándar, con todo lo que ello
supone: herramientas más potentes, posibilidad de almacenamiento en
soporte magnético, impresión, transferencia de datos, monitorización
mediante software SCADA, etc.
Para cada caso el fabricante proporciona lo necesario, bien el equipo o el
software/cables adecuados. Cada equipo, dependiendo del modelo y
fabricante, puede poseer una conexión a uno o varios de los elementos
anteriores
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7.- LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN
Cuando surgieron los autómatas programables, lo hicieron con la necesidad
de sustituir a los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y
relés. Por lo tanto, la comunicación hombre-maquina debería ser similar a la
utilizada hasta ese momento.
El lenguaje usado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos
técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación.
Estos lenguajes han evolucionado, en los últimos tiempos, de tal forma que
algunos de ellos ya no tienen nada que ver con el típico plano eléctrico a
relés.
Las unidades de programación se pueden dividir en tres grandes grupos. Las
pertenecientes al primer grupo, denominadas simples, son pequeñas, poco
explícitas y suelen ir integradas en el aparato, teniendo unos pocos leds y una
mínima pantalla de cristal líquido para la visualización. Conforme va
aumentando la complejidad y la potencia de los autómatas, este tipo de unidad
desaparece por su poca utilidad. En un segundo grupo están las de
complejidad media, llamadas terminales de mando o bien consolas. Son
portátiles, y aunque de manera poco gráfica, permiten realizar cualquier
modificación del programa del autómata. Este tipo de unidad ha sido
ampliamente utilizada en planta, pero cada vez más van dejando su lugar a las
de complejidad elevada. En el grupo de las unidades de complejidad elevada
se encuentra el PC.
Gracias al desarrollo tecnológico se han realizado PC portátiles robustos, es
decir, resistentes al ambiente industrial. Éstos permiten una mejor visión y
edición, por lo que resulta un trabajo mucho más cómodo e inteligible. Un
ejemplo es la programadora PG740 de la empresa Siemens, que es un PC
basado en el procesador de Intel DX4/100.
Para las tareas de investigación y desarrollo normalmente se trabaja en un PC
sobremesa debido a su mayor comodidad; para este caso también se puede
citar la programadora PG760, que como en el caso anterior es de Siemens.
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La programación de los autómatas programables se realiza prácticamente toda
mediante PC, reservando para los terminales de mando la tarea de editar el
programa que está en operación para realizar pequeñas modificaciones.
Todos los fabricantes de software han migrado (o lo están haciendo) hacia un
entorno de desarrollo basado en windows, ya que en los últimos años ha
adquirido una gran aceptación debido a su fácil e intuitivo manejo. Con un
entorno de programación basado en windows se pueden realizar las
operaciones de ‘cortar, copiar, arrastrar y pegar’, que eran impensables con
los antiguos entornos.
Esto reduce bastante el tiempo de edición de programas existentes. También
es de mucha utilidad la programación simbólica consistente en identificar las
entradas con un nombre que recuerda a su función, y no simplemente con un
número de dirección. Programando mediante PC se puede tener un archivo de
comentarios, de los cuales el autómata no hará caso, pero que son de gran
ayuda cuando se ha de interpretar un programa realizado hace bastante tiempo
o bien si ha sido realizado por terceras personas.
Asimismo, también se ha evolucionado en la forma de programar los
autómatas, partiendo de lista de instrucciones y diagrama de contactos, se ha
llegado a los lenguajes de alto nivel (como el C) y también al SFC (Sequential
Function Chart) y GRAFCET.
Cada vez existen más fabricantes de autómatas que proporcionan un
simulador. Éste consiste en un software especial al que podemos dar un
programa como si fuera un autómata, y nos permite simular su
funcionamiento. De esta manera se pueden depurar los programas sin
necesidad del autómata, y lo que es más importante, sin necesidad de hacer
pruebas en el proceso productivo con el consecuente ahorro en tiempo y
dinero.
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Los lenguajes más significativos son:
Lenguaje a contactos. (LD)
Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al elaborar
cuadros de automatismos. Muchos autómatas incluyen módulos especiales de
software para poder programar gráficamente de esta forma.
Lenguaje por Lista de Instrucciones. (IL)
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En los autómatas de gama baja, es el único modo de programación. Consiste
en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que se asocian a los
símbolos y su combinación en un circuito eléctrico a contactos. También
decir, que este tipo de lenguaje es, en algunos los casos, la forma más rápida
de programación e incluso la más potente.
Grafcet. (SFC)
Es el llamado Gráfico de Orden Etapa Transición. Ha sido especialmente
diseñado para resolver problemas de automatismos secuenciales. Las acciones
son asociadas a las etapas y las condiciones a cumplir a las transiciones. Este
lenguaje resulta enormemente sencillo de interpretar por operarios sin
conocimientos de automatismos eléctricos.
Muchos de los autómatas que existen en el mercado permiten la programación
en GRAFCET, tanto en modo gráfico o como por lista de instrucciones.
También podemos utilizarlo para resolver problemas de automatización de
forma teórica y posteriormente convertirlo a plano de contactos
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Plano de funciones (FBD)
El plano de funciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a
técnicos habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la
simbología usada en ambos es equivalente.
8.- CARACTERISTICAS OPTIMAS
PROGRAMABLE MODERNO.
DE
UN
AUTÓMATA
Cuando se trata de automatizar un sistema se debe tener una idea global del
funcionamiento de la máquina o proceso que se quiere automatizar, y una vez
se han precisado los elementos sensores y actuadores necesarios, también se
pueden escoger los autómatas programables que son necesarios así como la
estrategia de control a seguir.
Cuando se está en la fase de selección de un autómata es conveniente prestar
una especial atención a algunas características, las cuales se tratan a
continuación.
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Memoria: Debe ser la suficiente para albergar el programa y futuras
ampliaciones. Cabe distinguir el tipo de memoria (volátil o no) y las
diferentes zonas reservadas para programa y/o datos.
Tiempo de scan: Generalmente, los fabricantes dan el tiempo que tarda el
autómata en analizar 1k (1024) instrucciones. Está claro que cuanto más
rápido sea el autómata, más velocidad de reacción tendrá frente a cambios en
sus entradas.
Autodiagnóstico: Es de especial utilidad en caso de avería. La mayor parte de
los autómatas existentes en el mercado poseen un test de autodiagnóstico,
señalando cualquier posible anomalía o incidencia.
Coma flotante: Es interesante que el microprocesador del autómata posea
coma flotante en aplicaciones que requieran cálculo matemático, ya que un
procesador con esta característica evalúa funciones matemáticas complejas de
forma rápida.
Lenguaje y equipo de programación: Normalmente no son determinantes
para la elección de un autómata, ya que todos los equipos se programan de
forma similar, siguiendo cada vez más la norma de estandarización
IEC-1131-3.
Entradas y salidas: Se debe prever el número que necesitaremos, tanto de las
digitales como de las analógicas. También se debe pensar en partes críticas
que quizás necesiten de entradas por interrupción. De la misma manera, es
necesario que el autómata posea suficientes contadores y temporizadores;
requisito bastante fácil de cumplir hoy en día.
Racks remotos: Cuando se piensa en una arquitectura remota y/o distribuida,
es necesario que el autómata programable sea capaz de soportar racks
remotos. El número de éstos depende de las necesidades de la automatización.
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Contadores rápidos, PID, control de ejes, pesaje, lector de código de
barras, etc.: Según la aplicación interesa una de estas características, y si el
autómata no la tiene incorporada de serie, debe existir un módulo adicional
que realice dicha función. Todos estos periféricos, además de la posibilidad
de conexión de una impresora o de una ranura para tarjeta PCMCIA,
demuestran que cada vez existe hardware más especializado para los
autómatas programables.
Software: Va a gusto del consumidor, pero un entorno de programación
Windows siempre es más intuitivo y nos ahorra mucho trabajo mediante sus
características de ‘copiar y pegar’. Por otra parte los fabricantes han
empezado a desarrollar simuladores debido a que el mercado lo demandaba.
Es de gran utilidad poder probar el correcto funcionamiento del programa y
realizar una primera depuración de éste sin tan siquiera disponer del autómata
o sistema, trabajando a priori o en paralelo con la construcción del sistema (o
máquina) con el consecuente ahorro de tiempo. Si se tiene prevista la
implantación de un scada, el autómata debe estar capacitado para poder
soportarlo.
Tecnologías: La lógica difusa se está imponiendo debido a la sencillez del
tipo de control y buenos resultados obtenidos, y por el momento son pocos los
fabricantes que anuncian este tipo de control, pero se espera que en el futuro
vayan creciendo. En cuanto a la seguridad intrínseca, es un valor añadido en
los autómatas que la poseen, pero es estrictamente necesaria en zonas con
riesgo de deflagraciones.
Comunicaciones: Las comunicaciones juegan un papel cada día más
importante en el mundo de los autómatas programables, especialmente en las
industrias que poseen procesos de producción.
Si el sistema a automatizar precisa de varios autómatas con funciones que sé
interrelacionan, será necesario que éstos tengan capacidad para ‘conectarse y
entenderse’.
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Hablando genéricamente de redes, éstas se pueden dividir en cinco grandes
grupos.
La red de más alto nivel es la que comunica las oficinas comerciales con las
fábricas, las cuales pueden estar geográficamente muy distanciadas unas de
otras. Es la red utilizada para informar de los pedidos realizados por el cliente,
y por tanto para que los ordenadores de gestión sepan qué debe producirse y
en qué cantidad. En caso de fabricarse diferentes productos mediante varias
fábricas, se debe actuar racionalmente y aportar la información necesaria a
todas las implicadas.
Centrándonos en una sola fábrica, quedan cuatro grandes grupos de redes, de
los cuales la red de gestión es la de más alto nivel. Esta red da órdenes a la red
inmediatamente inferior, que es la red que une los ordenadores de proceso.
La red de proceso es la encargada de gestionar el proceso de producción. Esta
red, obedeciendo a la gestión de producción, da las instrucciones necesarias a
los ordenadores que controlan el proceso para que la producción sea la
deseada.
En el nivel de control del proceso están los propios ordenadores que controlan
el proceso y los autómatas programables. Este nivel interacciona con el
campo (nivel inferior) mediante los autómatas. El bus de campo enlaza los
sensores y otros aparatos electrónicos (como los variadores de frecuencia) con
los autómatas. En este último nivel, no necesariamente debe existir un bus de
campo, ya que también se encuentran otras posibilidades como son el
cableado o bien las entradas y salidas remotas.
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9.- ESTRUCTURAS JERARQUICAS Y SISTEMAS DE CONTROLES
ESTRATEGICOS DE AUTOMATAS PROGRAMABLES PLC.
La estrategia de control más simple y más económica es la de plataforma
aislada, que consiste en un autómata que controla un proceso. No existe red
alguna y el sistema no interacciona con su entorno. Es el caso típico de una
máquina que posee un autómata para su propio control, pero es independiente
del entorno.
La plataforma central (o control central) sigue la filosofía de que un autómata
muy potente controla todos los procesos. La ventaja es que un solo autómata
es muy fácil de conectar con aparatos de orden jerárquico superior (PC), sin
embargo, tiene el inconveniente que todos los elementos de campo deben
llevar su información hasta donde se encuentra el macroautómata.
El control distribuido es una alternativa al anterior, evitando mucho cableado,
pero sigue habiendo un único autómata que controla todos los procesos.
El siguiente paso fue pensar en un autómata por proceso, y enlazar sus
funciones mediante una red, y además, en esa red debía haber alguien de
jerarquía superior que fuera dando instrucciones a los diferentes autómatas
además de supervisarlos (generalmente un PC). También surge la idea del bus
de campo, mediante el cual se ahorra cableado y se gana robustez.
En paralelo con todas las estrategias de control anteriores siempre ha habido
la necesidad de monitorizar el estado del sistema, para saber exactamente que
está ocurriendo y cuando está ocurriendo.
Además, se ha añadido funcionalidad, logrando comunicar el software de
monitorización/entrada de datos con el software de producción (programas
autómatas) mediante los conocidos scada.
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10.- MICROAUTÓMATAS
La tecnología electrónica también ha aportado novedades en el mundo de los
autómatas, especialmente en lo referente a su tamaño y a su velocidad.
Todas las empresas fabricantes tienen una gama que incluye un
microautómata de prestaciones extraordinarias comparadas con su tamaño.
Como ejemplo se pueden citar el S7-200 de Siemens, P8 Compact Line de
Philips, S90 Micro de GE Fanuc o los TSX Micro y TSX Nano de
Telemecanique.
En cuanto a la velocidad, también se ha notado un incremento, ya que se ha
pasado de tiempos de scan (por 1 k instrucciones) de varios milisegundos a
tiempos inferiores al milisegundo, consiguiendo una velocidad de
procesamiento casi diez veces superior.
La CPU adoptada por algunos fabricantes se basa en microprocesadores
comerciales (por ejemplo, Intel), pero la mayoría diseña su propia CPU,
dotándola de las características que considera más oportunas. La mayoría de
autómatas tienen un procesador que no es de coma flotante, aunque cada vez
existen más procesadores con funciones de cálculo matemático.
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Conforme los fabricantes de PC van aumentando la fiabilidad (robustez) de
éstos en ambientes industriales, está claro que los PC podrán desempeñar las
mismas tareas que están ejerciendo los autómatas programables sin dar los
típicos problemas de quedarse colgados. ¿Pero a qué precio? ¿Serán
competitivos? Bien, el tiempo lo dirá, pero lo que sí es cierto es que los PC no
podrán competir con los microautómatas en cuanto a lo que se refiere al
tamaño y éste es un factor que cada día tiene más importancia en la industria.
Los microautómatas nunca podrán tener el mismo número de entradas y
salidas que sus hermanos mayores, pero tiene una alta proporción espacio
ocupado/prestaciones. Para pequeñas automatizaciones son más que
suficientes. Un claro ejemplo es el logo de Siemens, que no se comercializa
como microautómata, pero lo parece en las funciones básicas y especiales que
tiene integradas.
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11.- INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA (SCADA)
El establecimiento de la comunicación entre el hombre y la máquina se realiza
mediante equipos desarrollados específicamente para esta función, conocidos
por MMI (del inglés Man Machine Interface), también han sufrido cambios, y
sus creadores aplican conocimientos de ergonomía, utilizan visores gráficos,
los mensajes son más explícitos, lo que los hace más fáciles de comprender,
etc.
Muchos de estos equipos tienen una clara distinción visual entre el
funcionamiento normal del proceso y un funcionamiento no normal, es decir,
cuando existe una alarma. Esta distinción varía, pudiendo ser un simple
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cambio de color, un parpadeo, una señal sonora o incluso una voz digitalizada
que reproduce un mensaje.
Esta señal de alarma sirve para avisar de lo que está sucediendo, pero
seguramente el autómata esté enterado, y si el programa está correctamente
desarrollado, éste sabrá como reaccionar.
Los scada son paquetes de software desarrollados para obtener en tiempo real
una representación (del proceso de producción) gráfica, entendedora a simple
golpe de vista y con indicaciones que llamen la atención en caso de que sea
requerida la intervención del hombre. Éstos han evolucionado, y no solamente
hacen posible la visualización en tiempo real sino que además permiten,
mediante comunicación con los autómatas programables, la modificación de
parámetros que afectan al proceso de producción. De esta manera se puede
intervenir rápidamente sobre una variable del proceso y prevenir de posibles
anomalías, arreglar las ya existentes o simplemente cambiar las
especificaciones de producción bajo demanda.
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12.- FACTORES PARA TENER EN CUENTA AL MONTAR UNA RED
DE PLC.
Un primer factor es la velocidad de transmisión de datos. Siempre surge la
pregunta de si se tiene suficiente ancho de banda para que nuestro sistema de
comunicaciones no se colapse y que los datos no lleguen con mucho retraso.
Desde el punto de vista económico, se incrementa el precio con el incremento
de ancho de banda, por tanto no se implementa la red más rápida, sino la red
que cubra las necesidades de velocidad. Los datos de interés son la cantidad
de información que envía y recibe cada nodo, el intervalo de tiempo en que la
información se debe transmitir y recibir y el número de nodos que realizan
transacciones de información en un intervalo de tiempo fijado.
El coste es otro de los factores importantes cuando se analizan soluciones y/o
implementaciones. El coste se puede dividir en dos grandes bloques. Uno es
el valor de adquisición de los elementos, y que dependerá de la tecnología
usada, así saldrá más barata una red basada en cableado de par trenzado que
una con fibra óptica. El otro bloque es el coste de instalación del hardware, es
decir, la mano de obra. En el caso que realice la instalación el personal de la
propia empresa es más económico que tener que contratar la instalación a una
empresa exterior especializada en el tema.
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13.- USO DE LA RED DE PLC
PLC MASTER
Computador Central
(Scada)
PLC 1
PLC 3
PLC 2
La red puede tener tres diferentes usos: Control, programación y
monitorización. Cabe decir que una red no solo permite un tipo de utilización,
sino que puede llegar a permitir hasta los tres a la vez. Cuando la red está
destinada principalmente a control, se debe pensar en la integridad de los
datos, es decir, tipo de control sobre los datos y en la necesidad o no de
elementos de redundancia. Las redes que deben permitir la programación han
de ser extraordinariamente robustas, con esto se quiere decir que la seguridad
ha de ser máxima. Por el contrario, en las redes destinadas principalmente a la
monitorización, la seguridad no es tan crítica, aunque deben poder transferir
la cantidad necesaria de datos para visualizar los estados del programa en la
interfase con el operador, visualizar estados de varias máquinas y/o procesos
a la vez, y también para la supervisión, control y adquisición de datos
(SCADA). Según la necesidad del proceso se puede requerir la existencia de
módulos específicos, por ejemplo módulos para una red punto a punto con
una conexión RS-232 para poder conectar vía módem.
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14.- PROTOCOLOS DE COMUNICACIONES MÁS UTILIZADOS EN
REDES DE PLC Y SCADAS
En la actualidad existen varios tipos de redes y protocolos de comunicación.
Debido a esta diversidad surgieron los aparatos que hacen de puente entre un
sistema y otro, son los denominados ‘bridge’.
El protocolo Modbus necesita un puerto RS-232 y está basado en la filosofía
maestro/esclavo. Se puede considerar un estándar en la industria, puesto que
cuenta con más de trescientos suministradores industriales. La programación
en línea o la adquisición de datos es directa y fácilmente soportada con el
puerto serie de cualquier PC.
El protocolo más extendido en los módulos basados en la red Ethernet es el
TCP/IP, ahora muy popular debido a la gran expansión de Internet, aunque
existen otros, como por ejemplo el Sy/Max ofrecido por AEG Schneider
Automation en las series Modicon TSX Quantum.
Las capas físicas de este tipo de red son varias, pero las más utilizadas hoy en
día son el par trenzado (10BaseT) y la fibra óptica.
La red LanWorks con el modelo de protocolo OSI permite la conectividad de
los sistemas de automatización. Este tipo de red nació (y es donde está más
extendida) en la automatización de edificios, lo que se suelen llamar edificios
inteligentes o domótica. Se basa en el concepto del control distribuido.
El bus de campo Interbus-S es una red diseñada para bloques de entradas y
salidas y dispositivos inteligentes usados en producción. La tipología es
maestro/esclavo y es de los mejores ‘hablando’ con grupos de entradas y
salidas,
en
vez
de
con
bits
individuales
de
datos.
El CAN bus (DeviceNet es muy parecido) es muy robusto, y como ejemplo, el
autómata B&R 2003 Compact PCC de la empresa B&R.
Sistemas de Control
El módulo esclavo de este sistema Can bus tiene como principales
características el reconocimiento automático de la clase de red después de la
puesta en marcha de la tensión de alimentación, evaluación y transmisión del
estado de las entradas, transmisión cíclica y recepción de los cambios en el
estado de las entradas, recepción y conmutación de las salidas y reacción a
errores causados por roturas de red y problemas locales.
Para finalizar, comentar que muchos de los fabricantes permiten la
redundancia del cableado de una red a efectos de seguridad.
Sistemas de Control
15.- LÓGICA DIFUSA
La lógica difusa es un concepto de control que permite deducir una acción a
realizar a partir de datos imprecisos. Se considera que forma parte de una
rama de la inteligencia artificial que posibilita la creación de soluciones
capaces de aportar una información útil a partir de entradas de información
vagas o incompletas. Esto es así por la gran similitud que tiene con el
razonamiento humano de extraer conclusiones en la resolución de problemas.
El principio de funcionamiento es extremadamente simple e intuitivo. Se basa
en las reglas del tipo SI ‘condición’ ENTONCES ‘conclusión’.
Esta forma de sacar conclusiones es la utilizada por los seres humanos en
multitud de decisiones diarias, cosa que se verá fácilmente con el ejemplo
típico de la ducha. Cuando alguien se esta duchando utiliza la lógica difusa
para controlar la temperatura del agua, es decir, utiliza su cerebro con las
siguientes reglas:
• Si el agua está muy fría, entonces abrir mucho más el grifo del agua
caliente.
• Si el agua está fría, entonces abrir un poco más el grifo del agua
caliente.
• Si el agua está un poco fría, entonces abrir un poquito más el grifo del
agua caliente.
Y
así
sucesivamente
hasta
llegar
a
la
última
de
las
reglas:
Si el agua está muy caliente, entonces abrir mucho más el grifo del agua fría.
Tener en cuenta que las reglas antes mencionadas son un ejemplo
simplificado, y que se debe tener constancia de cómo están los grifos para
saber si en un caso se debe abrir más el de agua fría, o bien lo que se debe
hacer es cerrar el de agua caliente, o incluso modificar los dos a la vez.
Sistemas de Control
De entrada parece que las reglas que se utilizan en la programación mediante
lógica difusa son muy sencillas; en la realidad se encuentran sistemas en que
saber cuales son sus reglas ‘de juego’ no es trivial. Lo más importante en
todos los sistemas es la experiencia acumulada, y si esta experiencia no se
tiene, se debe aprender.
Continuando con el ejemplo de la temperatura del agua, se puede decir que
todo el mundo controla la ducha de su casa; ¿pero que pasa cuando se cambia
de casa o se va a un hotel o a un camping? Pues bien, lo primero que se hace
es aprender y observar como reacciona la nueva ducha. Por suerte este sistema
es sencillo y lo controlamos rápidamente; pero en la industria existen muchos
sistemas, y habitualmente no son tan sencillos.
En la actualidad existen muchos sistemas controlados mediante lógica difusa,
desde pequeños sistemas como los electrodomésticos (especialmente los
fabricados por los japoneses), hasta grandes instalaciones como el control del
suministro de gas y aire para el control de temperatura de una caldera. Otros
ejemplos en los que está presente la lógica difusa son el control de la tensión
en bobinadoras de papel, control del balanceo de un puente grúa y control del
grosor automático del celofán.
En las aplicaciones antes mencionadas y en otras muchas más, se ha
demostrado lo simple, eficiente y económica que puede ser la regulación
mediante lógica difusa. Debido a esto está ganando terreno en el campo del
control, y cada vez más fabricantes incorporan esta tecnología en los
autómatas programables. Para citar dos ejemplos, Omron dispone de la tarjeta
C200H-FZ001 para su autómata C200H y de la tarjeta C500-FZ001 para sus
autómatas de la serie C (C500, C100H y C200H) y de la serie CV (CV500 y
CV1000). Por otro lado, Klöckner Moeller dispone de la combinación del
autómata compacto SUCOcontrol y del software SUCOsoft Fuzzy-TECH 40,
que permiten regular y controlar procesos cuya automatización solo era
posible hasta hace poco a muy alto coste.
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16.- SEGURIDAD
La seguridad es un tema muy importante en la industria. Por ello se exige
máxima seguridad a un precio razonable.
Se debe tener en cuenta la clasificación de zonas de seguridad cuando en la
industria se manejan productos tóxicos, corrosivos, oxidantes, inflamables y/o
explosivos; en estos casos será útil que el autómata posea certificación con
respecto a la normativa de seguridad intrínseca.
Otro tipo de seguridad es el estado del autómata programable. Los autómatas
se intentan fabricar lo más robustos posible para que ninguna perturbación
inhiba su correcto funcionamiento.
Los fallos de los autómatas pueden deberse a causas externas cuando se
trabaja en condiciones diferentes de las específicas para el equipo, o bien por
falta de robustez.
La falta de robustez solo se puede minimizar por las medidas preventivas en
las fases de desarrollo y fabricación, tales como el diseño en el peor de los
casos, selección de componentes amparados por normativas rigurosas y
verificación sistemática de componentes y conjuntos.
También se dan los fallos por desgaste, que son los debidos al propio
funcionamiento de los elementos del autómata; el más típico es el deterioro de
la batería, pero actualmente los autómatas ya avisan cuando la batería
empieza a estar por debajo del nivel normal. Mediante un buen
mantenimiento preventivo, que se encargará de realizar el cambio de batería,
se elimina esta tipología de fallo.
Debido a la seguridad se diseñan los autómatas de manera que sea poco
probable su fallo y en caso de suceder éste, que su mantenimiento, cambio, e
identificación del error sean lo más rápidos posible. Por todas estas razones,
los autómatas tienen una concepción modular, conexiones precableadas o con
Sistemas de Control
conectores, acceso frontal, los módulos de entrada/salida tienen indicadores
del estado de sus vías, casi todos los autómatas tienen autodiagnóstico, etc.
Como cosa a destacar, unos pocos fabricantes han diseñado sus equipos para
que los módulos de entradas y salidas puedan ser cambiados en operación, es
decir, con tensión. Esto es un gran avance, ya que evita la forzosa parada de
todo el proceso (debido a la parada del autómata).
En cuanto a los procesos críticos, se hace hincapié en la seguridad en el
control, y aún en el caso poco probable de que falle un sensor, autómata, etc.
el sistema continúa funcionando. Esto se consigue mediante redundancia de
elementos, pero se debe pensar detenidamente la estructura del control del
proceso.
Como ejemplo se puede citar que la redundancia para ‘seguridad’ tendría un
esquema equivalente serie, y la redundancia para ‘disponibilidad’ tendría un
esquema equivalente paralelo. La empresa Honeywell tiene productos
orientados a la seguridad, lo que denomina FSC (Fail Safe Control).
Sistemas de Control
CONCLUSION
Los autómatas programables son herramientas muy útiles calificadas para
llevar el control de procesos industriales y utilizadas hoy en día en un
sinnúmero de aplicaciones.
Desde hace poco tiempo hasta la fecha con la aparición de nuevos y
poderosos modelos de PC, estos están comenzando a reemplazar al PLC en
algunas aplicaciones, incluso la compañía que introdujo el primer PLC ha
cambiado al control basado en PC. Por lo cual, no sería de extrañar que en un
futuro no muy lejano el PLC desaparezca frente al cada vez más potente PC,
debido a las posibilidades que éste último puede proporcionar.
Sistemas de Control
Sistemas de Control
TABLA DE CONTENIDO
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INTRODUCCIÓN
Historia de los autómatas programables
Definición de autómata programable
Funciones y aplicaciones del PLC
Ventajas e Inconvenientes de los PLC’S
Partes de un autómata
Equipos o unidades de programación
Lenguajes de programación
Características optimas de un autómata programable moderno
Estructuras jerárquicas y sistemas de controles estrategicos de autómatas
programables PLC
Microautómatas
Interfaz hombre-maquina (scada)
Factores para tener en cuenta al montar una red de PLC
Uso de la red de PLC
Protocolos de comunicaciones más utilizados en redes de PLC y SCADAS
Lógica difusa
Seguridad
CONCLUSION
BIBLIOGRAFIA