Controladores Lógicos Programables (PLC) Automatismos Industriales La industrialización rápida y continua que vive la sociedad ha llevado a un nuevo nivel la automatización de sistemas productivos. Se emplean cada vez más los Controladores de Lógica Programable, o PLCs, y existe una tendencia hacia la incursión en sistemas de automatización basados enteramente en PC. Nuevos desafíos relacionados con la automatización tratan cada vez con sistemas más difíciles de simular, implementar y validar por lo que además se hace necesario emplear técnicas de mayor generalidad y poder que permitan una posterior implementación en los sistemas tradicionales o actuales. Automatismos Industriales Automatismos Industriales El objetivo de este curso es presentar las principales técnicas de análisis e implementación de sistemas para su automatización y ahondar en los estándares actuales que permiten portabilidad y flexibilidad en los sistemas diseñados. Automatismos Industriales INTRODUCCIÓN Es desde los comienzos de la revolución industrial, a finales del siglo XIX y principios del XX, cuando la automatización de procesos cobra un interés especial por parte de la ciencia y de los ingenieros, presentando la perspectiva que tenemos hoy de ellos como sistemas en los cuales se realizan acciones sobre un sistema mediante la manipulación directa de magnitudes físicas haciendo uso de otro sistema denominado de control. SISTEMA AUTOMÁTICO Sistema capaz de llevar a cabo correctamente las acciones para las que fue diseñado sin necesidad de intervención por parte del ser humano Automatismos Industriales HISTORIA DEL PLC • Las plantas automotrices utilizaban relés para controlar instalaciones o máquinas. • La división Hydra Matic de GM realizó una lista para el desarrollo de un PLC en el año 1968. • Porque? • La GM se pasaba días o semanas modificando paneles con relevos cada vez que había cambio de modelos. Requisitos propuestos por la GM • Flexible como un PC. Reprogramable • Fácil de programar por los técnicos. Lenguaje de escalera • Soportar ambiente industrial. Ruido e interferencias ambientales extremas. eléctricas, condiciones Desarrollo de los sistemas de control programables • 1968 La GM especifica un nuevo sistema de control. • 1970 Inicia el desarrollo de los primeros PLC • 1974 Allan Bradley patenta el PLC • 1977 PLC-2, Intel 8080, Allan Bradley • 1986 PLC-5, Motorola ¿ Qué es un Controlador Lógico Programable? • Es un dispositivo digital electrónico diseñado para uso industrial con memoria programable para almacenar instrucciones de operador e implementar funciones lógicas, secuencias, temporizadores, contadores y aritmética, para controlar por medio de entradas y salidas digitales o analógicas, maquinas o procesos. ¿ Que es un Controlador Lógico Programable? • También se puede definir como un equipo electrónico, el cual realiza la ejecución de un programa de forma cíclica. La ejecución del programa puede ser interrumpida momentáneamente para realizar otras tareas consideradas más prioritarias, pero el aspecto más importante es la garantía de ejecución completa del programa principal. ¿ Que es un Controlador Lógico Programable? • Estos controladores son utilizados en ambientes industriales donde la decisión y la acción deben ser tomadas en forma muy rápida, para responder en tiempo real. Los PLC son utilizados donde se requieran tanto controles lógicos como secuenciales o ambos a la vez. • Se puede decir que un PLC no es mas que una computadora pero simplemente de uso industrial. Campos de aplicación 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 y señalización. Campos de aplicación 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, hace que su eficacia se aprecie principalmente en procesos donde surgen necesidades tales como: • Espacio reducido • Procesos de producción periódicamente cambiantes • Procesos secuenciales Campos de aplicación • Maquinaria de procesos variables • Instalaciones de procesos complejos y amplios • Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso Ejemplos de aplicaciones generales: • Maniobra de máquinas • Maquinaria industrial de plástico • Máquinas transfer Ejemplos de aplicaciones generales: • Maquinaria de embalajes • Maniobra de instalaciones: instalación de aire acondicionado, calefacción • Instalaciones de seguridad • Señalización y control Ventajas e inconvenientes Sabemos que no todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones obligan a referirse a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio. Ventajas e inconvenientes Ventajas • Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos, debido a que no es necesario dibujar previamente 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. Ventajas e inconvenientes Ventajas • La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente se eliminara 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 del tablero donde se instala el autómata programable. Ventajas e inconvenientes Ventajas • Menor costo de mano de obra de la instalación. • Economía de mantenimiento. Además de aumentar la confiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías. • Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata. Ventajas e inconvenientes Ventajas • Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado. • Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción. Ventajas e inconvenientes Inconvenientes • Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido. • El costo inicial. Estructura de un PLC La estructura básica de un PLC se puede ejemplificar de la siguiente manera: Estructura de un PLC CPU: La CPU es el cerebro del PLC, es responsable de la ejecución del programa desarrollado por el usuario. Está formado por dos partes fundamentales: el o los procesadores y las memorias. También puede contener otros elementos como puertos de comunicaciones, circuitos de diagnóstico, fuentes de alimentación, etc. Estructura de un PLC Procesador: Tiene como labor principal la de ejecutar el programa realizado por el usuario, pero además tiene otras tareas: la de administrar la comunicación y ejecutar los programas de autodiagnósticos. Para poder realizar todas estas tareas, el procesador necesita un programa escrito por el fabricante, llamado sistema operativo. Estructura de un PLC Procesador: Este programa no es accesible por el usuario, y se encuentra grabado en la memoria no volátil que forma parte de la CPU. Todas las tareas que realiza el procesador son ejecutadas en forma secuencial y cíclica mientras esté alimentado con tensión. A cada ciclo se lo denomina Barrido o Scan. Una típica secuencia de barrido se detalla a continuación: Estructura de un PLC Procesador: a) Autodiagnóstico b) Lectura del registro de entradas c) Lectura y ejecución del programa d) Atender las comunicaciones e) Actualización del registro de salidas Estructura de un PLC Memoria: Almacén de información del sistema. Contiene datos numéricos en código binario y está dividida en posiciones de memoria, a cada una de las cuales le corresponde una dirección de memoria, cada posición de memoria es un arreglo de una determinada cantidad de bits (8 o 16 bits). Estructura de un PLC Memoria: Estructura de un PLC Memoria: El sistema operativo, el programa de aplicación, las tablas de entradas y salidas, los registros internos, están asociados a distintos tipos de memoria. La capacidad de almacenamiento de una memoria suele cuantificarse en bits, bytes o words. Estructura de un PLC Memoria: El sistema operativo viene grabado por el fabricante, y como debe permanecer inalterado y el usuario no debe tener acceso a él, se guarda en una memoria como las ROM, EPROM o EEPROM, que son memorias cuyo contenido permanece inalterable en ausencia de alimentación. Estructura de un PLC Memoria: El programa construido por el usuario debe permanecer estable durante el funcionamiento del equipo, y además debe ser fácil de leer, escribir o borrar. Por eso, es que se usa para su almacenamiento memorias tipo RAM o EEPROM. En el caso de usar memorias tipo RAM, será necesario también el uso de pilas, puesto que este tipo de memoria se borra con la ausencia de alimentación. Estructura de un PLC Memoria: La memoria de datos se utiliza tanto para grabar datos necesarios para los fines de la ejecución del programa como para almacenar datos durante su ejecución y/o retenerlos luego de terminadas las aplicaciones (se puede decir que es necesario una lectura y escritura rápida). Como la velocidad juega un papel importante en la velocidad de operación del PLC se utilizan memorias tipo RAM. Estructura de un PLC Memoria: Las posibilidades de acceso se clasifican en: Memorias de Solo Lectura Se utilizan para almacenar programas y datos constantes; la manera como están dispuestos los circuitos en la CPU determinan que solo se pueda leer su contenido. Existen Memorias de Solo Lectura de los siguientes tipos: Estructura de un PLC Memoria de Solo Lectura - ROM (Read Only Memory): Son grabadas por el fabricante del chip y su información no puede ser alterada. Memoria de Solo Lectura Programable y Borrable - EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): Se diferencia de las PROM en que pueden ser borradas y reprogramadas; generalmente el borrado se efectúa con radiación ultravioleta. Estructura de un PLC Memoria de Solo Lectura Programable y Borrable Eléctricamente - EEPROM - (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory): Estas memorias de solo lectura, no se extraen del circuito de aplicación para borrarlas y programarlas de nuevo, ellas pueden borrarse y grabarse en tarjeta, si la aplicación posee los circuitos apropiados, utilizando impulsos de voltaje adecuados. Estructura de un PLC Memoria EPROM Rápidas - FLASH EPROM (Flash Erasable Programmable Read Only Memory): Son en la actualidad más utilizadas que las EEPROM por contar con mejores características de capacidad de almacenamiento y tiempo de acceso. Estructura de un PLC Clasificación de Volatilidad Otro criterio de clasificación de las Memorias tiene que ver con la Volatilidad de sus datos. Una Memoria es No Volátil cuando al quitarle la energía de alimentación sus datos no se borran, en este grupo se incluye a las memorias de solo lectura, enunciadas anteriormente. Estructura de un PLC Por el contrario, las Memorias Volátiles pierden la información almacenada cuando se les suprime la alimentación de energía, las RAM son un ejemplo de memorias Volátiles . RAM No Volátiles – NOVRAM : Son RAM en cuyo chip se adosa una pila con fin de sostener la información mientras el sistema no cuenta con energía. Estructura de un PLC Entradas y salidas: Estructura de un PLC Entradas y Salidas: Las entradas y salidas son los elementos del PLC que lo vinculan al campo. En el caso de las entradas, deben ser adecuadas a las tensiones y corrientes que maneja el procesador para que éste las pueda reconocer. Estructura de un PLC Entradas y Salidas: En el caso de las salidas, las señales del procesador deben se modificadas para actuar sobre algún dispositivo del campo. Esto se puede realizar con el uso de transistores, triacs o relés, (Interfaces o adaptadores de Salida) que comandan dispositivos de campo en función de la información enviada por la CPU. Estructura de un PLC Entradas y Salidas: • Discretas: También llamadas digitales, lógicas, binarias u “on-off ”, pueden tomar solo dos estados. La denominación de digital es más común que las discretas, aún cuando es incorrecta, ya que todas las funciones de un PLC, incluidas las E/S, son digitales. Estructura de un PLC Entradas y Salidas: • Analógicas: Pueden tomar una cantidad de valores intermedios dentro de un cierto límite, dependiendo de su resolución. Por ejemplo: 0 a 10 Vcc, 4 a 20 mAcc, etc. Estructura de un PLC Entradas y Salidas: • Especiales: Son variantes de las analógicas, como las entradas de pulso de alta frecuencia, termocuplas, RTDs, etc. Estructura de un PLC Entradas y Salidas: • Inteligentes: Son módulos con procesador propio y un alto grado de flexibilidad para su programación. Durante su operación intercambian datos con la CPU. Estructura de un PLC Entradas: Existe una variada gama de alternativas para éstos módulos de entradas, con lo que se puede optar por módulos con distintas cantidades de entradas y para distintos niveles de voltaje; las más comunes son: 24 Vcc, 24 Vca, TTL (5 Vcc), 110 Vca, 220 Vca, etc.. Estructura de un PLC Entradas: • Aislamiento: Las entradas de la mayor parte de los PLC’s son opto aisladas para que, en caso de sobre tensiones externas, el daño causado no afecte más que a ese punto, sin perjudicar el resto de la tarjeta ni programarse al resto de PLC. Estructura de un PLC Entradas: • Aislamiento: Estructura de un PLC Entradas: • Circuito lógico de entrada: Es el encargado de informar a la CPU el estado de la entrada cuando ésta la interrogue. Estructura de un PLC Entradas: A las entradas se conectan detectores que pueden ser: • Pulsadores • Llaves • Termostatos • Presostatos • Límites de carrera • Sensores de Proximidad • Otros elementos que generan señales binarias (ON-OFF) Estructura de un PLC Salidas discretas: Al igual que en el caso de las entradas discretas, la estructura típica de una salida discreta puede separarse en varios bloques por donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0 o un 1 lógico para la CPU. Estos bloques son: • Circuito lógico de salida: Es el receptor de la información enviada por la CPU. Estructura de un PLC Salidas discretas: • Aislamiento: Cumple una función análoga al aislamiento de una tarjeta de entradas discretas. Estructura de un PLC Salidas discretas: • Indicador de estado: generalmente se utiliza un indicador de estado por canal, que se enciende cuando la salida está cerrada, y se apaga cuando está abierta. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si la tarjeta y su comunicación con la CPU no presentan fallas. Estructura de un PLC Salidas: Las salidas comandan distintos equipos, por ejemplo: • Lámparas. • Sirenas y Bocinas. • Contactores de mando de Motores. • Válvulas Solenoide. • Otros elementos comandados por señales binarias. Estructura de un PLC Fuente de alimentación • Es la unidad encargada de suministrar los voltajes requeridos por la CPU, tarjetas especiales, procesadores periféricos y los módulos de E/S local. • Existen 2 tipos de fuentes: • internas y externas. Ejemplo de Encendido y Apagado de una lámpara a través del PLC Estructura de un PLC Procesador de Comunicaciones • Interface Serial RS-232 en protocolo Modbus: Destinada a operar como interface de configuración, programación y monitoreo de la aplicación del PLC a través de un computador con software Modsoft, Lmodsoft o supervisor de PLC Factory Link u otros. Estructura de un PLC Procesador de Comunicaciones • Interface de red del tipo RS-422 en protocolo Modbus Plus (MB+): • Destinada a la implementación de una red local de control industrial (LAN). Clasificación de los PLC’s Si deseamos establecer una clasificación de PLC’s, podemos considerar distintos aspectos: Por su Construcción Integral o compacto Clasificación de los PLC’s Integral o compacto Es aquel que integra todas sus partes en una misma caja o gabinete. La aparición de PLC’s modulares de pequeño tamaño hace que ésta resulte inadecuada. El PLC integral suele tener muy pocas E/S, clasificándose en general como micro PLC. Clasificación de los PLC’s Modular Clasificación de los PLC’s Modular • Como su nombre lo indica, está formado por módulos. El equipo se arma sobre un bastidor o base de montaje (también llamada chasis o rack) en el cual se instalan la CPU, los módulos de entrada, los módulos de salida y otros periféricos. • El chasis contiene en su parte posterior los buses de datos, direcciones y alimentación del PLC, con conectores apropiados a los que se conecten los distintos módulos. Clasificación de los PLC’s Modular • La principal ventaja de un PLC modular frente a uno integral es evidente: el usuario puede componer su equipo con la cantidad y tipo de entradas y salidas que necesite, y luego puede ampliarlo agregando los módulos necesarios. Clasificación de los PLC’s Por su Capacidad NIVEL 1 • Control de variables discretas y pocas análogas. • Operaciones lógicas y aritméticas. NIVEL 2 • Control de variables discretas y análogas. • Operaciones lógicas y aritméticas con punto flotante. • E/S inteligentes. • Gran capacidad de manejo de datos. Clasificación de los PLC’s POR CANTIDAD DE E/S • • • • Micro PLC (hasta 64 E/S). PLC pequeño (65 a 255 E/S). PLC mediano (256 a 1023 E/S). PLC grande (más de 1024 E/S). Conversión de Diagrama Escalonado Serie a Lenguaje del Controlador (lenguaje escalera) • El lenguaje de programación que utilizan los controladores programables se denomina “LADDER DIAGRAM” (Diagrama Escalera), el cual es muy similar al diagrama eléctrico convencional o a relé. • Con el objeto de familiarizarse con el Diagrama Escalera, a continuación veremos un ejemplo de conversión. Conversión de Diagrama Escalonado Serie a Lenguaje del Controlador (lenguaje escalera) Funciones lógicas. El control digital, y en particular el binario, está presente en todos los campos de la vida, desde los sistemas de refrigeración hasta los complejos sistemas de control de vuelo. Aunque los circuitos electrónicos de estos sistemas pueden tener niveles de complejidad muy diferentes, todos se basan en combinaciones de elementos más pequeños llamados puertas lógicas, las cuales se construyen a partir de transistores y elementos pasivos. Funciones lógicas. En este tema se aborda el estudio de dichas puertas lógicas, el álgebra de conmutación que se utiliza para manipular las magnitudes binarias y algunas aplicaciones. Estados lógicos y función lógica. Los elementos que constituyen los circuitos digitales se caracterizan por admitir sólo dos estados. Es el caso por ejemplo de un conmutador que sólo puede estar ENCENDIDO o APAGADO, o una válvula hidráulica que sólo pueda estar ABIERTA o CERRADA. Funciones lógicas. Para representar estos dos estados se usan los símbolos ‘0’ y ‘1’. Generalmente, el ‘1’ se asociará al estado de conmutador CERRADO, ENCENDIDO, VERDADERO, y el ‘0’ se asocia al estado de conmutador ABIERTO, APAGADO o FALSO. Funciones lógicas. En el siguiente circuito se representa el estado del conmutador con la variable S y el de la lámpara con la variable binaria L. En la tabla se observa la relación entre ambas. ABIERTO CERRADO APAGADA ENCENDIDA Funciones lógicas. La función lógica es aquella que relaciona las entradas y salidas de un circuito lógico. Puede expresarse mediante: Tabla de verdad: En ella se representan a la izquierda todos los estados posibles de las entradas (en el ejemplo, el estado del conmutador) y a la derecha los estados correspondientes a la salida (en el ejemplo, la lámpara). Funciones lógicas. Función booleana: Es una expresión matemática que emplea los operadores booleanos (en el ejemplo, L = S). Funciones lógicas. Puertas lógicas elementales. Una puerta lógica es un elemento que toma una o más señales binarias de entrada y produce una salida binaria función de estas entradas. Cada puerta lógica se representa mediante un símbolo lógico. Hay tres tipos elementales de puertas: AND, OR y NOT. A partir de ellas se pueden construir otras más complejas, como las puertas: NAND, NOR y EXOR. Funciones lógicas. Función lógica AND Equivale a la multiplicación o al producto lógico S=A·B La función lógica AND es la multiplicación, y viene representada de la siguiente manera: Existen dos símbolos para representar la puerta AND, (el de la izquierda es el normalizado para PLC). A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Funciones lógicas. Función lógica AND A B L 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Funciones lógicas. Función lógica OR Equivale a la suma lógica S = A + B La función booleana que realiza la compuerta OR es la asociada a la suma, y matemáticamente la expresamos como “+”. Esta compuerta presenta un estado alto en su salida cuando al menos una de sus entradas también está en estado alto. En cualquier otro caso, la salida será 0. Tal como ocurre con las compuertas AND, el número de entradas puede ser mayor a dos. Funciones lógicas. Función lógica OR La puerta OR se representa mediante estos dos símbolos (el de la izquierda es el normalizado para PLC): A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Funciones lógicas. Función lógica OR El funcionamiento de esta puerta es equivalente al de dos conmutadores en paralelo como en la Figura. En esta configuración la lámpara se encenderá si cualquiera de los dos conmutadores se cierra. A B L 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Funciones lógicas. Función lógica NOT La función NOT invierte o niega el dato de entrada, es decir si se tiene un uno(1) en la entrada a la que se denomina A, a la salida a la que se denomina B se tiene un cero (o) y viceversa. Se conoce también como INVERSOR y posee una única entrada Funciones lógicas. Función lógica NOT La puerta NOT se representa mediante estos dos símbolos (el de la izquierda es el normalizado para PLC). Recuerde que A' se puede representar también mediante una barra encima de la ̅. A B 0 1 1 0 Funciones lógicas. Función lógica NOT El indicador de negación es un círculo ( o ) que indica inversión o complementación cuando aparece en la entrada o en la salida de un elemento lógico. A L 0 1 1 0 Circuitos equivalentes Funciones lógicas. Función lógica NAND ( NOT – AND) Función lógica NAND = · Equivale a una puerta AND seguida de un INVERSOR. Su nombre viene de Not-AND . A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Funciones lógicas. Función lógica NAND ( NOT – AND) Circuitos equivalentes A B L 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Funciones lógicas. Función lógica NOR ( NOT – OR) Función lógica NOR = + Equivale a una puerta OR seguida de un INVERSOR. Su nombre viene de Not-OR . A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Funciones lógicas. Función lógica NOR Circuitos equivalentes A B L 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Funciones lógicas. Función lógica EXOR (OR EXCLUSIVA) La salida de una puerta OR exclusiva es verdadera (‘1’) si, y sólo si, una y sólo una de sus dos entradas es verdadera. Se asemeja a la OR (inclusiva), excepto que excluye el caso en que las dos entradas son verdaderas. La figura muestra un circuito equivalente. En una puerta OR exclusiva la salida será ‘1’ cuando el número de entradas que son ‘1’ sea impar. Funciones lógicas. Función lógica EXOR Función lógica EXOR La función lógica de esta compuerta es la de suministrar un nivel bajo de salida (0) únicamente cuando los niveles de entrada sean iguales, unos o en su defecto ceros. En forma contraria, el nivel de salida será alto (1) cuando los niveles de entrada sean diferentes Funciones lógicas. Función lógica EXOR Función lógica EXOR A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Funciones lógicas. Función lógica EXOR Función lógica EXOR _ _ A B L 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
