fundamentos teóricos

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CAPITULO II
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1.- Antecedentes
Titulo: “Sistema didáctico para la enseñanza del funcionamiento del PLC
ControlLogix 5555 Allen-Bradley”
Autor: Hernández Merchán, Ángela Patricia
Año: 2005
Este sistema se basa en el análisis y utilización de un controlador lógico
programable con una arquitectura ControlLogix de Allen-Bradley® en el
desarrollo de aplicaciones prácticas, orientadas a mostrar de una manera
fácil las características principales de este controlador, con la finalidad que
el estudiante se instruya en el funcionamiento, programación y
aplicaciones que pueden ser desarrolladas con este PLC.
Titulo: “Desarrollo de un controlador lógico programable con lenguaje
booleano”
Autor: Molina R, Néstor O.
Año: 2005
Este proyecto se basa en el diseño y construcción de un Autómata
Programable para que sea utilizado con fines didácticos, mediante la
utilización de la
computadora, con un ambiente que facilitará la
programación y un hardware que permitirá la implementación de procesos
reales.
2.2.- Controladores lógicos programables.
Su historia se remonta a finales de la década de 1960 cuando la industria
buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para
21
reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés,
interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los
sistemas de lógica combinacional.
2.2.1 Definición de un controlador lógico programable.
El Controlador Lógico Programable o PLC es: "Un aparato electrónico
operado digitalmente, que usa una memoria programable para el almacenamiento
interno de instrucciones para implementar funciones específicas, tales como
lógica, secuenciación, registro y control de tiempos, conteo y operaciones
aritméticas para controlar, a través de módulos de entrada/salida digitales
(ON/OFF) o analógicos (1 – 5 VDC, 4 – 20 mA, etc.), varios tipos de máquinas o
procesos”. [2]
El la actualidad existen muchos tipos y marcas diferentes de PLC en el
mercado.
2.2.1.1 El lenguaje Grafcet
Fue originalmente un método para representar gráficamente el análisis
funcional de una máquina de estados finitos, pero al tratarse de una representación
muy sintetizada y debido a la rigurosa correspondencia con la lógica a programar,
el Grafcet se ha convertido en un leguaje de programación. La mayor ventaja de
este lenguaje es que se puede convertirle diagrama de flujo de un autómata en
lenguaje maquina, lista de instrucciones y esquema de contactos. Utiliza etapas
para representar estados y transiciones para definir los cambios de estado de
sistema, según la notificación gráfica que puede verse en la figura Nº 2.1. [1]
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Figura Nº 2.1 Ejemplo de Grafcet.
2.2.1.2 Lógica de escalera o ladder
Es el lenguaje de programación mas usado en los autómatas
programables. Fue el primero con el que se comenzó a programar, de ahí que
presente grandes semejanzas con los diagramas eléctricos de escalera utilizados
por los técnicos anteriormente a la aparición del PLC. Este lenguaje está
especialmente indicado para facilitar el cambio de un sistema de control realizado
con relés por un autómata programable, y para hacer más fácil el diseño de
sistemas de control con PLC.
Al igual que en los diagramas eléctricos de escalera, cada reglón de un
programa de lógica de escalera debe contener por lo menos una instrucción de
control (salida), y, generalmente, contiene una o más instrucciones condicionales
(entradas), que se programan a la izquierda de las instrucciones de salida. Para ver
de una forma más clara los elementos que se evalúan dentro de un reglón
obsérvese la figura Nº 2.2:
23
Figura Nº 2.2 Estructura de un reglón en lógica de escalera.
Como se puede ver en la figura 2.2, por cada instrucción de entrada existe
una condición de entrada y una condición de salida. Dependiendo de la condición
de entrada y de la propia instrucción, el controlador establece el estado de salida
de la instrucción. Esta, a su vez, determina la condición de entrada de la
instrucción de entrada siguiente. En la figura Nº 2.3 se ilustra la anterior
explicación:
Figura Nº 2.3 Instrucciones de entrada en serie.
A partir de la figura Nº 2.3 se pueden tener en cuanta los siguientes
aspectos:
La condición de entrada (condición de entrada_1) de toda instrucción que
se encuentre al comienzo de un reglón siempre es verdadera, pero eso no
significa que la condición de salida (condición de salida_1) vaya a serlo,
ya que dependerá de la instrucción.
La condición de salida (condición de salida_1) de una instrucción de
entrada tendrá el mismo estado que la condición de entrada (condición de
entrada_2) de la siguiente instrucción de entrada.
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Se dice que existe continuidad eléctrica si la condición de entrada de una
instrucción y la propia instrucción determinan una condición de salida verdadera,
lo que hará que el controlador pase a evaluar la siguiente instrucción del reglón.
En caso contrario, el reglón quedaría roto, y el controlador pasaría a evaluar el
siguiente.
Para que el controlador active la instrucción de control (salida) debe
encontrar continuidad lógica al evaluar las condiciones de entrada. Los elementos
a evaluar para decidir si activar o no las instrucciones de salida de un determinado
reglón son variables lógicas o binarias, para que puedan tomar solo dos estados:
verdadero y falso, cerrado o abierto, 1 ó 0, y provienen de entradas al PLC o de
variables internas.
En la programación con lenguaje ladder estas variables se representan por
contactos, según se ha representado en las figuras Nº 2.2 ó 2.3, en esta ultima
figura los dos contactos de entrada se han colocado en serie por lo que para activar
la salida ambas condiciones deberían ser verdaderas, si se hubieran colocado en
paralelo (ver figura Nº 2.4), bastaría con que solo una de ellas lo fuera.
Figura Nº 2.4 Instrucciones de entrada en paralelo.
Como ya se ha comentado, las salidas de un programa en lenguaje ladder
son equivalentes a las cargas en un circuito eléctrico. Para activar o desactivar a la
vez dos salidas se tienen que colocar en paralelo.
Como salidas en el programa del PLC tomamos, no solo las salidas que el
autómata tiene físicamente hacia el exterior, sino también las que se conocen
como variables internas. Las variables internas son variables lógicas (posiciones
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de memoria físicas) que podemos usar, por ejemplo, para memorizar estados o
como acumuladores de resultados que utilizaremos posteriormente en el
programa.
Existen dos formas básicas de activar o desactivarlas salidas de programa:
con enclavamiento y sin enclavamiento. Las más utilizada es la de la salida sin
enclavamiento, lo que significa que la salida es activada si y solo si se cumplen las
condiciones del reglón en el que esta programada.
Así, el ejemplo de la figura Nº 2.5 sirve para controlar el encendido y
apagado de la luz verde de un semáforo. El funcionamiento seria el siguiente:
cada vez que el semáforo este abierto (es decir, la entrada semáforo_abierto=1), la
salida luz_verde se activará. Cuando semáforo_abierto este desactivado (sea igual
a 0), la luz verde se apagará.
Figura Nº 2.5 Ejemplo de salida desenclavada.
Las salidas enclavadas, por el contrario, se activan y desactivan en
reglones diferentes o por instrucciones diferentes. Cuando existe continuidad
lógica en el reglón en el que la salida debe activarse, ésta lo hace y permanece así,
aún cuando la condición de activación deje de cumplirse.
El único modo de desenclavar la salida retenida es programar un reglón
con la instrucción de
desenclavamiento de la salida. Las instrucciones de
enclavamiento y desenclavamiento de salidas se usan siempre por pares. En el
ejemplo de la figura Nº 2.6 para enclavar a una variable luz_verde debe estar
activada la variable semáforo_abierto.
La única forma de desenclavar este valor (apagar luz_verde) es incluir otro
reglón con una instrucción de desenclavamiento. La notación utilizada en la figura
Nº 2.6 es directamente la propia del RSLogix, que permite programar el
26
Controllogix. En ella se utilizan las instrucciones OTL y OTU para enclavar y
desenclavar respectivamente, así como una diagonal sobre el contacto de entrada
para indicar una negación lógica. El funcionamiento del ejemplo de la figura Nº
2.6 (con dos reglones) es el mismo que el ejemplo de la figura Nº 2.5 (con un
reglón).
Figura Nº 2.6 Ejemplo de salida enclavada.
Para entender la operativa de ejecución de un programa en escalera hay
que tener en cuenta que el PLC examina cada reglón secuencialmente, de arriba
abajo del programa. Así, si la salida de un reglón actual afecta un reglón anterior,
el PLC no regresa a examinar el reglón anterior hasta el siguiente scan del
programa, después de haber actualizado todas las salidas.
Para que la salida de un reglón afecte una instrucción de otro reglón en el
mismo scan, aquel tiene que tener un número de reglón inferior al del reglón que
va afectar. Es decir, el reglón de control debe programarse antes del reglón
controlado. Existe una excepción: en el caso de tener instrucciones de salto,
llamadas a subrutinas, entre otros, el orden de ejecución será el que determinen
estas instrucciones.
De igual forma, téngase en cuenta que si una determinada salida toma dos
valores diferentes durante un scan de programa, solo aparecerá ala salida real el
ultimo de los valores calculados. [1]
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2.2.2 PLC Schneider Twido.
A continuación se describen las características del PLC Schneider Twido.
2.2.2.1 Controlador modular TWDLMDA20DTK.
El Controlador Lógico Programable Twido TWDLMDA20DTK es un
controlador Modular que cuenta con 20 E/S distribuidas en 12 Entradas de 24
Voltios en corriente continua, y 8 Salidas común negativo de transistor.
Figura Nº 2.7 Controlador Lógico Programable Twido TWDLMDA20DTK.
Es posible añadir E/S adicionales al controlador utilizando módulos de
ampliación de E/S.
Otras opciones se pueden añadir a los controladores base:
Cartuchos de memoria.
Cartucho de reloj de tiempo real (RTC).
Adaptadores de comunicaciones.
Módulos de ampliación de comunicaciones (sólo para controladores
modulares).
Módulo de monitor de operación (sólo para controladores compactos).
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Módulo de ampliación de monitor de operación (sólo para controladores
modulares).
Simuladores de entrada.
Cables de programación.
Cables de E/S digitales.
Sistema de cable TeleFast con interfases de E/S.
2.2.2.2 Módulo de ampliación TWDAMM3HT.
Este es un módulo de ampliación de E/S analógicas adicionales. Cuenta
con 2 Entradas de nivel superior y una salida, todas analógicas de 12 bits, 0 –
10V, 4 – 20mA.
Figura Nº 2.8 Módulo de Ampliación TWDAMM3HT.
2.2.2.3 Módulo de ampliación TWDALM3LT.
Este es un módulo de ampliación de E/S analógicas adicionales. Cuenta
con 2 Entradas de nivel inferior y una salida de nivel superior, todas analógicas
de 12 bits, 0 – 10V, 4 – 20mA, Termo resistencia, Termopar.
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Figura Nº 2.9 Módulo de Ampliación TWDALM3LT.
2.2.2.4 Software de programación TwidoSuite.
TwidoSuite es un entorno de diseño que permite crear, configurar y
gestionar las aplicaciones de los autómatas programables Twido. TwidoSuite es un
software de 32 bits para PC que funciona con los sistemas operativos Microsoft
Windows 98 (segunda edición), Windows 2000 y Windows XP. De este modo,
TwidoSuite ofrece la facilidad de manejo del entorno Windows familiar para la
mayoría de usuarios: ventanas, barras de herramientas, menús contextuales, etc.
[3]
Además, TwidoSuite ofrece una serie de funcionalidades que facilitan la
configuración y programación:
Programación en Lista de Instrucciones o Lenguaje de Contactos.
Navegador de Aplicación con visualización a través de ventanas múltiples
para facilitar la configuración de Hardware y Software.
Editores para las principales funciones de programación y configuración.
Funciones Cortar, Copiar y Pegar.
Programación Simbólica.
Gestión de referencias cruzadas.
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Duplicación de programas de aplicación.
Animación en tiempo real de los elementos del programa y/o de los datos.
Diagnóstico del funcionamiento del autómata programable.
Control de la memoria que utiliza la aplicación.
Instalación y desinstalación de programas.
Grabación de programas en los módulos opcionales de memoria
EEPROM. [4]
2.2.3 PLC Allen Bradley.
A continuación se describen las características del PLC Allen Bradley.
2.2.3.1 Controlador ControlLogix 5555.
El controlador “ControlLogix®” es un sistema de control de estado sólido
con una memoria de almacenamiento de datos programable por el usuario que
provee una solución de control escalable ya que es capaz de direccionar una gran
cantidad de puntos de entradas y salidas (128.000 digitales máximo / 4000
analógicas máximo). Este controlador es multitareas, es decir, soporta hasta una
configuración de 32 tareas y las mismas pueden ser priorizadas. Una sola tarea
puede ser continua y las demás pueden ser periódicas o por eventos, cada una con
sus datos locales y lógicos. [5]
El controlador “ControlLogix®” (Figura Nº 2.4) puede realizar funciones
similares al Twido TWDLMDA20DTK
31
Figura Nº 2.10 Controlador ControlLogix 5555 del laboratorio.
2.2.3.2 Creación y configuración de un modulo de entrad y salida.
En el diagrama de la figura Nº 2.11 se muestran las pautas a seguir para la
creación y configuración de un módulo. [1]
Figura Nº 2.11 Creación y configuración de un módulo de entrada y salida.
32
2.2.3.3 Módulo de conexiones y pruebas del PLC.
Este módulo tiene conexiones hacia c/u de los terminales de los módulos de
E/S del PLC así como también las conexiones hacia fuentes CA y DC necesarias
para la ejecución de pruebas de cualquier programa que se realice en el equipo. El
módulo tiene la opción de simulación para las entradas y salidas digitales.
Para la simulación de entradas digitales de AC se utilizan los interruptores
ubicados a la derecha de los conectores de cada canal del módulo de entradas CA.
Interruptores
Figura Nº 2.12 Modulo de entradas digitales.
Si se desea conectar un proceso a las entradas digitales, se deben deshabilitar
los interruptores de simulación, lo mismo se debe realizar para las salidas
digitales.
En el caso de las salidas digitales cada canal tiene un indicador que muestra el
estado de la salida. Si una salida de relé es activada por el programa, el indicador
se enciende, lo cual permite verificar el funcionamiento de un programa sin
necesidad de conectar dispositivos externos.
Indicadore
s
Figura Nº 2.13 Modulo de salidas digitales
33
2.2.3.4 Software de comunicación RSLinx.
El software RSLinx proporciona al controlador programable Allen Bradley
acceso a una amplia variedad de aplicaciones de Rockwell Software y Allen
Bradley, tales como RSLogix 500 y Logística de Escalera PLC-5 A.I. Series. Es el
software que permite la comunicación entre la computadora y el PLC.
Las
características generales de este programa son las siguientes:
Compatibilidad con productos para programación de Rockwell Software y
Allen Bradley.
Acceso de lectura y escritura a la información de procesadores PLC-5,
PLC-2, PLC-3, PLC-5/250™, MicroLogix 1000 y SLC 500.
Operación concurrente de varios dispositivos de comunicación.
Velocidad superior y carga de red reducida con el uso de bloques de
lectura y escritura.
Investigación intuitiva del sistema aceptada por la función gráfica rswho y
diagnósticos generales.
Diagnósticos de estación y de controlador. [5]
Figura Nº 2.14 Esquema de conexión del puesto de laboratorio.
34
2.2.3.5 Software de programación RSLogix 5000.
El
software
RSLogix
5000
es
compatible
con
la
arquitectura
ControlLogix® y específicamente, es el software de programación para el
controlador Logix5555. El paquete RSLogix 5000 se basa en el sencillo editor de
lógica para proporcionar un entorno de programación que aprovecha las
características de la nueva arquitectura. El software RSLogix 5000 funciona en el
entorno operativo Microsoft Windows NT y es compatible con los programas
creados con cualquier paquete de programación basado en DOS de Rockwell
Software. Entre las características de RSLogix 5000 se incluyen:
Facilidad de configuración, incluyendo un organizador de controlador
gráfico.
Diálogos de configuración de I/O.
Una herramienta de configuración de movimiento y métodos de
configuración de apuntar y hacer clic.
Un sofisticado manejo de datos que usa registros y estructuras definidas
por el usuario para proporcionar la flexibilidad necesaria para la
aplicación, en lugar de forzarlo para que se adapte a la estructura de
memoria particular según lo definido por la memoria de la tabla de datos
del controlador.
Un editor de lógica de escalera de formato libre que permite modificar
múltiples renglones de lógica simultáneamente.
Métodos de direccionamiento de E/S fáciles de usar.
Navegación y edición con arrastrar y colocar para mover rápidamente
elementos de datos de un archivo de datos a otro, renglones de una
subrutina o proyecto a otra, o instrucciones de renglón a renglón dentro de
un proyecto.
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Organización de la aplicación lógica, usando estructuras de tareas,
programas y rutinas. [5]
2.2.3.6 Tipos de datos en RSLogix 5000
El programador puede crear sus propios tipos de datos. Esto permite
diseñar los datos para satisfacer las necesidades de las aplicaciones, en lugar
de forzar las aplicaciones para que se adapten a una estructura de datos en
particular. Para definir una estructura por parte del usuario, hay que hacer
click con el botón derecho del ratón en la carpeta User-Defined, situada dentro
de DataTypes en la ventana de organización del proyecto y seleccionar New
Data Type. Aparecerá el editor de Data Type, desde donde se puede definir los
nuevos tipos de datos.
Un parámetro importante a la hora de manejar datos en el entorno de
programación es lo que se conoce como tag. Un tag es una variable que tiene
un nombre que describe los datos que almacena, y un tipo de datos que
identifica el tamaño y la configuración de los datos que el tag puede
almacenar. Como variable, un tag puede identificar señales de entrada/salida
provenientes de los módulos y de variables auxiliares que no representan
ninguna señal física. [1]
Hay tres tipos de tags:
Un tag de base es una variable que referencia a una zona de la memoria
del controlador donde se almacenan datos.
Un tag de alias que se refiere a parte de la memoria definida por otro tag.
Se usa, por ejemplo, para utilizar los elementos de array como tags
individuales.
Un tag consumido es un tag de datos que proviene de otro controlador.
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2.2.4.- Convertidor de frecuencia.
Un variador de frecuencia (siglas VFD, del inglés: Variable Frecuency
Drive o bien AFD Adjustable Frecuency Drive) es un sistema para el control de la
velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control
de la frecuencia de alimentación suministrada al motor. Un variador de frecuencia
es un caso especial de un variador de velocidad. [6]
2.2.4.1 Principio de funcionamiento
Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que
la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) esta determinada por
la frecuencia de CA suministrada y el número de polos en el estator, de acuerdo
con la relación:
Donde
RPM = Revoluciones por minuto
f = frecuencia de suministro AC (hertz)
p = Número de polos (adimensional)
Motores síncronos operan a velocidad síncrona determinada por la anterior
ecuación. La velocidad de un motor de inducción es un poco menor que la
velocidad síncrona. [6]
2.2.4.2 Descripción del VFD
Un sistema de variador de frecuencia (VFD) consiste generalmente en un
motor AC, un controlador y un interfaz operador.
37
Figura Nº 2.15 Relación par-velocidad para un variador de velocidad.
2.2.4.3 Motor del VFD
El motor usado en un sistema VFD es normalmente un motor de inducción
trifásico. Algunos tipos de motores monofásicos pueden ser igualmente usados,
pero los motores de tres fases son normalmente preferidos. Varios tipos de
motores síncronos ofrecen ventajas en algunas situaciones, pero los motores de
inducción son más apropiados para la mayoría de propósitos y son generalmente
la elección más económica.
Motores diseñados para trabajar a velocidad fija son usados habitualmente,
pero la mejora de los diseños de motores estándar aumenta la fiabilidad y
consigue mejor rendimiento del VFD. [6]
2.2.4.4 Controlador del VFD
El controlador de dispositivo de variación de frecuencia esta formado por
dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. El diseño habitual
primero convierte la energía de entrada AC en DC usando un puente rectificador.
La energía intermedia DC es convertida en una señal quasi-senoidal de AC
usando un circuito inversor conmutado.
El rectificador es usualmente un puente trifásico de diodos, pero también
se usan rectificadores controlados. Debido a que la energía es convertida en
continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofásicas como trifásicas
(actuando como un convertidor de fase, un variador de velocidad).
38
Figura Nº 2.16 Diagrama de Variador de frecuencia con Modulación de Ancho de
Pulso (PWM)
Tan pronto como aparecieron los interruptores semiconductores fueron
introducidos en los VFD, ellos han sido aplicados para los inversores de todas las
tensiones que hay disponible. Actualmente, los transistores bipolares de puerta
aislada (IGBTs) son usados en la mayoría de circuitos inversores.
Las características del motor AC requieren la variación proporcional del
voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor esta
diseñado para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe reducirse a
230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. Así la relación
voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz en
este caso).
Para un funcionamiento óptimo, otros ajustes de voltaje son necesarios,
pero nominalmente la constante es V/Hz es la regla general. El método más
novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el control de voltaje por PWM.
[6]
2.2.4.5 Tipo de aplicaciones
Sincronismo de motores.
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Bobinadoras
Control de par
Rampas de frecuencia (Aceleración y frenado)
Ascensores
Posicionamiento
Bombas
Ventilación
Elevación de grúas con carga flotante
Agitadores
Mezcladoras [7]
La figura Nº 2.17 muestra varios convertidores de frecuencia Active 200:
Figura Nº 2.17 Convertidor de frecuencia Active.
2.2.4.6 Facilidades de Instalación
Equipo compacto y de reducidas dimensiones.
Terminales enchufables y desenchufables.
Posibilidad de instalación de varios equipos en forma compacta (reduce
espacios de instalación).
Posibilidad de alimentación en alterna o contínua.
Filtros de red internos y opcionales.[7]
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2.2.4.7 Módulos de Programación
Estructura de parámetros basada en cuatro menús: visualización de valores
actuales, visualización y configuración de parámetros, control y función de
copiado de parámetros para transferir a otro equipo.
Submenú especial de asistente de ayuda para la puesta en marcha rápida y
fácil.
Hasta 4 configuraciones posibles diferentes en la misma consola.
Autodiagnóstico de posibles averías internas.
Kit Teleservice: Programación y mantenimiento a distancia vía modem y
GSM.
Consola de programación especial para visualizar 4 variables a la vez
Software de programación para PC entorno Windows.
Buses de campo e interfases de comunicación: CAN, Profibus-DP, LON,
RS-232, RS-485, y otros.[7]
Figura Nº 2.18 Módulos de programación del convertidor Active.
2.2.4.8 Datos técnicos [ 7 ]
La tabla Nº 2.1 presenta las características de convertidor de frecuencia a
utilizar.
41
Tabla Nº 2.1 Datos técnicos del convertidor.
El convertidor de frecuencia posee una regleta enchufable para conexión
de las señales de control denominada X210A (Ver figura Nº 2.19) [8]
Figura Nº 2.19 Regleta para la conexión de las señales de control.
42
Las conexiones de esta regleta con sus respectivas funcionalidades son las
que se muestran en la figura Nº 2.20
Figura Nº 2.20 Conexión de las señales de control.
2 . 2 . 4 . 9 S o f tw a r e d e p r o g r a ma c i ó n V- P l u s
El software V-Plus es el que permite la comunicación entre el convertidor
de frecuencia Active y la computadora personal, es la herramienta mas
apropiada a la hora de programar el convertidor gracias a su facilidad de
manejo y a sus amplias herramientas.
F i g u r a N º 2 . 2 1 Ventana p r i n c i p a l d e l s o f t w a r e V - P l u s .
El software posee solo dos idiomas, el alemán y el inglés, el cual puede ser
editado haciendo click en Configuración.
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Entre las características de V-Plus se incluyen:
Fácil búsqueda de los parámetros a configurar,
Organización concreta y ordenada de las funciones y parámetros que posee
el convertidor.
Los tres tipos de configuraciones básicas del convertidor, CONF_110,
CONF_111, CONF_410.
Opción de impresión de lo que se esta ejecutando.
Posee una ayuda bastante completa.
Permite cargar o descargar programas realizados en otros convertidores de
la misma serie.