UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HMR/hmr. INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA PLAN 2001 GUIA DE LABORATORIO ASIGNATURA 15065 AUTOMATIZACIÓN NIVEL 07 EXPERIENCIA ATM-L07 “CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE” HORARIO: JUEVES: 9-10-11-12 MARTES: 9-10-11-12 1 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica HMR/hmr. TITULO: 1. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE OBJETIVO GENERAL Familiarizar al alumno con los controladores lógicos programables (PLC) y su aplicación industrial en el control de equipos automatizados. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS a) Capacitar al alumno para identificar en el equipo del laboratorio los elementos funcionales externos al controlador, vale decir: Conversores energéticos, amplificadores de potencia y sistemas de medición existentes. b) Para una aplicación especificada, capacitar al alumno para identificar en la instalación los flujos de señales y energéticos, esto es: Variables de control, variables de actuación, variables de salida o controlables, variables perturbadoras y variables de retroalimentación. c) Familiarizar al alumno con las filosofías de control y definir el algoritmo adecuado a la aplicación especificada en el laboratorio. d) Familiarizar al alumno con el álgebra Booleana (lógica binaria) y el lenguaje de programación de esquemas lógicos, de acuerdo al software de programación a usar en el laboratorio. e) Capacitar al alumno para desarrollar el algoritmo de control e implementarlo en el software de programación CAD Super Relay Logic, para luego simularlo y depurarlo. f) Que el alumno pueda transferir el programa al controlador y evaluar la calidad de su control, realizando cambios y ajustes si corresponde. g) Familiarizar al alumno con los diagramas de alambrado de equipos automatizados y la documentación correspondiente. 2 3. BREVE INTRODUCCIÓN TEÓRICA 3.1 Controlador Lógico Programable (PLC) Un Controlador Lógico programable (PLC), es un equipo electrónico diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales. Trabaja sobre la base de la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando sobre los conversores energéticos de la instalación 3.2 Campos de aplicación de los PLCs 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 control de procesos de fabricación industrial de cualquier tipo, señalización, 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. Procesos secuenciales. Maquinaria de procesos variables. Instalaciones de procesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso. Ejemplos de aplicaciones generales de los PLCs: - Maniobra de máquinas. Maquinaria industrial de plástico. Máquinas transfer. Maquinaria de embalajes. Etc. 3 3.3 Ventajas e inconvenientes del uso de los PLCs Ventajas: - - - - Menor tiempo empleado en la 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. Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos. Mínimo espacio de ocupación. Menor coste de mano de obra de la instalación. Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías. Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata. Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo cableado. Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción. Inconvenientes: - 3.4 hace falta un programador, lo que obliga a preparar a los técnicos en tal sentido. El coste inicial también puede ser un inconveniente. Funciones de los PLCs Funciones básicas: - - Detección: Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación. Mando: Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadotes. Dialogo hombre maquina: Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso. Programación: Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina. 4 Nuevas Funciones: - - - - - 3.5 Redes de comunicación: Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo real. En unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de memoria compartida. Sistemas de supervisión: También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos de programas de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por medio de una simple conexión por el puerto serie del ordenador. Control de procesos continuos: Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas llevan incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores PID que están programados en el autómata. Entradas- Salidas distribuidas: Los módulos de entrada salida no tienen porqué estar en el armario del autómata. Pueden estar distribuidos por la instalación, se comunican con la unidad central del autómata mediante un cable de red. Buses de campo: Mediante un solo cable de comunicación se pueden conectar al bus captadores y accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente el estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadotes. Álgebra Booleana Una puerta lógica, o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico que es la expresión física de un operador booleano en la lógica de conmutación. Cada puerta lógica consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para el operador particular. Son esencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip. Claude Elwood Shannon experimentaba con relés o interruptores electromagnéticos para conseguir las condiciones de cada compuerta lógica, por ejemplo, para la función booleana Y (AND) colocaba interruptores en circuito serie, ya que con uno solo de éstos que tuviera la condición «abierto», la salida de la compuerta Y sería = 0, mientras que para la implementación de una compuerta O (OR), la conexión de los interruptores tiene una configuración en circuito paralelo. La tecnología microelectrónica actual permite la elevada integración de transistores actuando como conmutadores en redes lógicas dentro de un pequeño circuito integrado. El chip de la CPU es una de las máximas expresiones de este avance tecnológico. 5 3.5.1 Lógica directa Puerta SI (IF) Símbolo de la función lógica SI a) Contactos, b) Normalizado y c) No normalizado La puerta lógica SI, realiza la función booleana igualdad. En la práctica se suele utilizar como amplificador de corriente. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta SI es: Tabla de verdad puerta SI Puerta Y (AND) Entrada A Salida A 0 0 1 1 Símbolo de la función lógica Y a) Contactos, b) Normalizado y c) No normalizado La puerta lógica Y, más conocida por su nombre en inglés AND, realiza la función booleana de producto lógico. El producto lógico de las variables A y B se indica como AB, y se lee A y B o simplemente A por B. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta AND es: 6 Tabla de verdad puerta AND Entrada A Entrada B Salida AB 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Puerta O (OR) La puerta lógica O, más conocida por su nombre en inglés OR, realiza la operación de suma lógica. Su símbolo es el sus símbolos en electrónica. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta OR es: Tabla de verdad puerta OR Entrada A Entrada B Salida A + B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Puerta OR-exclusiva (XOR) Símbolo de la función lógica O-exclusiva. a) Contactos, b) Normalizado y c) No normalizado. La puerta lógica O-exclusiva, más conocida por su nombre en inglés XOR, realiza la función booleana A'B+AB'. Su símbolo es el más (+) inscrito en un círculo. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta XOR es: 7 Tabla de verdad puerta XOR Entrada A Entrada B Salida A 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 B 3.5.2 Lógica negada Puerta NO (NOT) Símbolo de la función lógica NO a) Contactos, b) Normalizado y c) No normalizado La puerta lógica NO (NOT en inglés) realiza la función booleana de inversión o negación de una variable lógica. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta NOT es: Tabla de verdad puerta NOT Entrada A Salida 0 1 1 0 Puerta NO-Y (NAND) 8 Símbolo de la función lógica NO-Y. a) Contactos, b) Normalizado y c) No normalizado La puerta lógica NO-Y, más conocida por su nombre en inglés NAND, realiza la operación de producto lógico negado. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta NAND es: Tabla de verdad puerta NAND Entrada A Entrada B Salida 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Puerta NO-O (NOR) Símbolo de la función lógica NO-O. a) Contactos, b) Normalizado y c) No normalizado La puerta lógica NO-O, más conocida por su nombre en inglés NOR, realiza la operación de suma lógica negada. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta NOR es: Tabla de verdad puerta OR Entrada A Entrada B Salida 0 0 1 9 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Puerta equivalencia (XNOR) Símbolo de la función lógica equivalencia. a) Contactos, b) Normalizado y c) No normalizado La puerta lógica equivalencia, más conocida por su nombre en inglés XNOR, realiza la función booleana AB+A'B'. La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta XNOR es: Tabla de verdad puerta XNOR Entrada A Entrada B Salida 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 10 3.6 SIMBOLOGÍA Actualmente se usan dos tipos de símbolos, ambos definidos por el IEEE en la norma ANSI. El símbolo tradicional es el más usado al ser el más simple para dibujarlo a mano, a la vez que es más visual. El símbolo rectangular está basado en la IEC 60617-12. Esta simbología ha sido ampliamente aceptada por grandes estándares. Type Símbolo tradicional Símbolo rectangular AND OR NOT NAND NOR XOR XNOR 11 3.7 PLC MARCA SUPER RELAY MODELO SPR-22MxAC DE 14 ENTRADAS Y 8 SALIDAS A RELAY 12 4. DESCRIPCIÓN DEL METODO A SEGUIR 4.1. Reconocer los componentes constitutivos del equipo del laboratorio a controlar y las variables presentes en él, de acuerdo a la aplicación especificada por el profesor. 4.2 Para una aplicación dada por el profesor, los alumnos desarrollan los circuitos eléctricos de potencia y de señales requeridos en el equipo a automatizar. 4.3 Asistidos por el profesor, los alumnos implementan el circuito de potencia, para luego revisarlo, corregirlo, energizarlo y aisladamente probar cada actuador. 4.4 Realizar el alambrado de las señales de entrada al PLC; esto es, las variables medidas y las señales de entrada proveniente de la interfase hombre-máquina. 13 4.5 Generar el programa de control del equipo, basado en el lenguaje de programación de esquemas lógicos, simularlo en el software de programación y modificarlo si corresponde. 4.6 Transferir el programa al PLC y con extremo cuidado, realizar pruebas de funcionalidad y de control de cada actuador por separado. Haciendo las pruebas y ajustes correspondientes. 4.7 Energizar paulatinamente cada sector del equipo, evaluando permanentemente su respuesta, hasta tener todo el sistema controlado de acuerdo a lo especificado. 5.- VARIABLES A CONTROLAR 5.1. Tiempo de respuesta. 5.2. Errores de las variables a controlar. 5.3. Lógica de control de procesos 6.- TEMAS DE INTERROGACIÓN 6.1. Filosofías de control 6.2. Filtros de control. 6.3. Control “todo/nada”. 6.4. Programación, basado en lógica Booleana. 6.5. Interpretación de diagramas de alambrado 7.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR Los equipos e instrumentos empleados en este laboratorio son: - - PLC marca Super Relay, modelo SPR-22MxAC de 14E y 8S Computador con el software de programación SR-CAD SUPER RELAY Tarjetas de prueba para circuitos electrónicos. Componentes electrónicos, (diodos, fotodiodos, óptodiodos, diodos zenner, resistencias, amplificadores operacionales, termoresistencias, transistores, optotransistores, triac, etc). Actuadores y conversores energéticos, (motobombas, cilindros neumáticos, cintas transportadoras, electrotérmicos, etc). Sensores, (de presencia, limitadores de curso, ópticos, encoders, de temperatura, de presión, de velocidad, etc). Fuentes de poder en: 5vCC, 12vCC, +-12Vcc y de voltaje regulable. Transformador 220/24Vca. Otros, (Botones on/off, selectores, botón de emergencia, luces piloto, reles, contactores, fusibles, etc) 14 8. LO QUE SE PIDE EN EL INFORME 8.1. Las características técnicas de los elementos y subsistemas empleados en el laboratorio. 8.2. Especificar técnicamente la funcionalidad del equipo desarrollada en el laboratorio. 8.3. El diagrama de alambrado de las señales de entrada y de salida del PLC 8.4. El esquema físico del equipo automatizado, indicando en él la ubicación de: actuadores, sensores, cables, cajas de distribución y borneras. 8.5. El esquema físico del gabinete de control y de la interfase hombre-máquina, mostrando la posición relativa de los elementos y subsistemas constitutivos de los mismos. 8.3. El programa cargado en el PLC. 8.4. Un análisis de los resultados, comentarios y conclusiones personales. 8.5. La referencia bibliográfica. 8.6 El apéndice con: a.1. Alternativas comerciales de PLCs adecuados al requerimiento especificado en el laboratorio. a.2. Desarrollo de los cálculos. a.3. Presentación de resultados. a.4. Gráficos. 9.- BIBLIOGRAFÍA 9.1 Electrónica Digital, Principios y Aplicaciones; Malvino – Leach y otros; ed, Mc-Graw-Hill 9.2 9.3 Apuntes de cátedra de la asignatura de Automatización (15065). Héctor Muñoz R. DIMEC-USACH. Catalogo del PLC y software de programación, 9.4 Guías e informes de los laboratorios anteriores. 15 Sitios web: http://www.array.sh/sr-xztdE.htm (catálogo del software) http://es.wikipedia.org/wiki/Puerta_l C3 B3gica http://docencia.udea.edu.co/SistemasDiscretos/contenido/capitulo_04.html http://www.mecanicainfo.com 16