Download Instrumentación y Control Automático

Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Automatismo con Controladores Lógicos
Programables (PLC)
Introducción a los automatismos
La automatización de una máquina o proceso productivo simple,
tiene como consecuencia la liberación física y mental del hombre de dicha
labor.
Se denomina automatismo al dispositivo físico que realiza esta
función controlando su funcionamiento.
Principio de un sistema automático
Todo sistema automático por simple que éste sea se basa en el
concepto de bucle o lazo, tal y como se representa en la siguiente figura.
Señales de detección (eléctricas)
Captadores
Máquina o
proceso
productivo
Automatis
mo o parte
de control
Actuadores
Ordenes de funcionamiento (eléctricas)
Fases de estudio en la elaboración de un automatismo
Para el desarrollo y elaboración de un automatismo se deben seguir
los siguientes pasos:
• Estudio previo: Es importante conocer con el mayor detalle posible las
características, el funcionamiento, las distintas funciones, etc., de la
1
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
máquina o proceso a automatizar. Se debe saber también de los
materiales, aparatos, etc., existentes en el mercado, para lo que se debe
evaluar la calidad de la información técnica de los equipos y cual es la
disponibilidad, rapidez de recambios y asistencia técnica.
• Estudio técnico – económico: En este punto se tiene en cuenta las
distintas opciones posibles (lógica cableada o lógica programada), la
adaptación de los dispositivos seleccionados al sistema a automatizar y
al entorno en el que se haya inscripto; se valora la parte operativa como
mantenimiento y fiabilidad, etc.. La importancia de la evaluación desde
el punto de vista técnico y económico radica en que a veces la mejor
solución técnica resulta ser totalmente antieconómica.
• Decisión final: Los parámetros que se deben valorar para una decisión
correcta pueden ser muchos y variados, algunos de los cuales serán
específicos en función del problema concreto que se va a resolver, pero
otros serán comunes, tales como la posibilidad de ampliación y de
aprovechamiento de lo existente en cada caso, el ahorro desde el punto
de vista de necesidades para su manejo y mantenimiento, etc..
Opciones tecnológicas
El siguiente cuadro muestra las opciones tecnológicas posibles
derivadas de las dos generales: lógica cableada y lógica programada.
Tipo
Familia tecnológica
Eléctrica
Lógica cableada
Electrónica
Lógica programada
Electrónica
Subfamilia específica
Relés electromagnéticos
Electro neumática
Electro hidráulica
Electrónica estática
Sistemas Microordenadores
informáticos Mini ordenadores
Microsistemas tipo PIC
Autómatas Programables
(PLC)
2
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Autómatas programables (PLC)
Se entiende por controlador lógico programable (PLC), o autómata
programable, a toda máquina electrónica, basada en microprocesador,
diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos
secuenciales. Su manejo y programación puede ser realizada por personal
eléctrico o electrónico sin conocimientos informáticos. Realiza funciones
lógicas: series, paralelos, temporizaciones, contajes y otras más potentes
como cálculos, regulaciones, etc..
También se le puede definir como una “caja negra” en la que existen
unos terminales de entrada a los que se conectarán pulsadores, fines de
carreras, detectores de posición, etc., conectándose a los terminales de
salida, dispositivos tales como contactores, relés, electroválvulas, lámparas,
etc., de tal forma que la actuación de estos últimos está en función de las
señales de entrada que están activadas en cada momento y según el
programa almacenado.
Muchos de los dispositivos físicos tradicionales como ,
temporizadores, contadores, etc., son internos, esto es que son bloques de
software disponibles por el programador. La tarea del usuario se reduce a
realizar el “programa”, que no es más que la relación entre señales de
entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida.
Campo de aplicación
El PLC por sus especiales características de diseño tienen un campo
de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware amplía
continuamente 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 realizar procesos de maniobra, control, señalización,
etc., por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industrial
de cualquier tipo hasta el control de instalaciones de edificios (domótica),
agroindustria (viveros), tránsito (semáforos) , etc..
Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la
posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida
utilización, la modificación sencilla de los mismos, etc., hace que su
eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos con requerimientos
tales como:
3
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
•
•
•
•
•
•
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
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 podrían ser los siguientes:
Maniobra de máquinas
• Maquinaria industrial del mueble y madera.
• Maquinaria en procesos de grava, arena y cemento.
• Maquinaria en la industria del plástico.
• Máquinas-herramientas complejas (CNC)
• Maquinaria en procesos textiles y de confección.
• Maquinaria de ensamblaje.
• Maquinaria agroalimentaria
Maniobra de instalaciones
• Instalaciones de aire acondicionado, calefacción, etc..
• Instalaciones de seguridad.
• Instalaciones de frío industrial.
• Instalaciones de almacenamiento y trasvase de cereales.
• Instalaciones de plantas embotelladoras.
• Instalaciones de la industria de automoción.
• Instalaciones de tratamientos térmicos.
• Instalaciones de plantas depuradoras de residuos.
• Instalaciones de cerámica.
Ventajas e inconvenientes del PLC
Ventajas:
1. Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a
que:
4
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
• 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 eliminamos parte del
problema que supone el contar con diferentes proveedores,
distintos plazos de entrega, etc..
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni
añadir aparatos.
Mínimo espacio de operación.
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
detectar e indicar averías.
Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
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.
Comunicaciones digitales con otros PLC´s y computadores, por
ejemplo tipo PC para conformar sistema SCADA ( HMI /MMI).
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.
Pero hay otro factor importante, como el costo inicial, que puede o
no ser un inconveniente, según las características del automatismo en
cuestión. Dado que el PLC cubre ventajosamente un amplio espectro de
aplicaciones y de reemplazo de la lógica cableada, es preciso que el
proyectista lo conozca tanto en su amplitud como en sus limitaciones. Por
tanto, aunque el coste inicial debe ser tenido en cuenta a la hora de
decidirnos por uno u otro sistema, conviene analizar todos los demás
factores para asegurarnos una decisión acertada.
5
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Elementos de hardware
Estructura externa
El término estructura externa o configuración externa de un autómata
programable se refiere al aspecto físico del mismo, bloques o elementos en
que está dividido, etc.. Desde su nacimiento y hasta nuestros días han sido
varias las estructuras y configuraciones que han salido al mercado
condicionadas no sólo por el fabricante del mismo, sino por la tendencia
existente en el área al que perteneciese: europea o norteamericana.
Actualmente son dos las estructuras más significativas que existen en el
mercado:
• Estructura compacta: Este tipo de autómata se distingue por
presentar en un solo bloque todos sus elementos, esto es, fuente de
alimentación, CPU, memorias, entradas / salidas, etc.. En cuanto a su
unidad de programación, existen tres versiones: unidad fija o
enchufable directamente en el autómata; enchufable mediante cable
y conector, o la posibilidad de ambas conexiones. Si la unidad de
programación es sustituida por un PC, nos encontramos que la
posibilidad de conexión del mismo será mediante cable y conector.
El montaje del autómata al armario que ha de conectarlo se realiza
por cualquiera de los sistemas conocidos: riel DIN, placa perforada,
etc..
• Estructura modular: Como su nombre lo indica, la estructura de este
tipo de autómata se divide en módulos o partes del mismo que
realizan funciones específicas. Aquí caben hacer dos divisiones:
1. Estructura americana: Se caracteriza por separar las E/S del
resto del autómata, de tal forma que en un bloque compacto
están reunidas las CPU, memoria de usuario o de programa y
fuente de alimentación, y separadamente las unidades de E/S
en los bloques o tarjetas necesarias.
2. Estructura europea: Su característica principal es la de que
existe un módulo para cada función: fuente de alimentación,
CPU, E/S, etc.. La unidad de programación se une mediante
cable y conector. La sujeción de los mismos se hace bien sobre
riel DIN o placa perforada, bien sobre RACK, en donde va
alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que
lo componen.
6
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Estructura interna
Los autómatas programables se componen esencialmente de tres
bloques, tal y como se representa a continuación.
Unidad
Dispositivos
de
Sección
entrada o
de
captadores
entradas
Sección
Central
De
de
salida
Dispositivos de
salida o
actuadores
proceso
• Sección de entradas: Mediante la interfaz, adapta y codifica de forma
comprensible por la CPU las señales procedentes de los dispositivos
de entrada o captadores, esto es, pulsadores, finales de carrera,
sensores, etc.; también tiene una misión de protección de los
circuitos electrónicos internos del autómata, realizando una
separación eléctrica entre éstos y los captadores.
• Unidad central de procesos(CPU): Es, por decirlo así, la inteligencia
del sistema, ya que mediante la interpretación de las instrucciones
del programa de usuario y en función de los valores de las entradas,
activa las salidas deseadas.
• La sección de salidas: Mediante la interfaz, trabaja de forma inversa
a la de entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la
CPU, la amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o
actuadores, como lámparas, relés, contactores, arrancadores, electro
válvulas, etc., aquí también existen unas interfaces de adaptación a
las salidas y de protección de circuitos internos.
7
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Para que este autómata sea operativo son necesarios otros elementos
tales como:
• La unidad de alimentación: Esta adapta la tensión de red de 220V
y 50Hz a la de funcionamiento de los circuitos electrónicos
internos del autómata, así como a los dispositivos de entrada,
24Vcc, por ejemplo.
• La unidad de programación: Esta es la que le permite al usuario
ingresar al interior del PLC con un programa determinado, que
establece que salidas se deben habilitar de acuerdo al estado de
las entradas. Los PLC´s pueden programarse desde una PC o con
una unidad de programación portátil consistente en un teclado
con un display similar a una calculadora, ambas opciones se
comunican con el autómata mediante un cable y un conector.
A continuación se representa en bloques separados, pero
interrelacionados entre sí los últimos puntos mencionados con el CPU.
Memorias
Llamamos memorias a cualquier dispositivo que nos permita
almacenar información en forma de bits (ceros y unos). En nuestro caso nos
referimos a las memorias que utilizan como soporte elementos
semiconductores.
8
Instrumentación y Control Automático
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
No todas las memorias son iguales; se distinguen dos tipos fundamentales
de memorias fabricadas con semiconductores:
• RAM (Random Access Memory): Esta es una memoria de acceso
aleatorio o memoria de lectura – escritura. En este tipo de memorias
se pueden realizar los procesos de lectura y escritura por
procedimientos eléctricos, pero su información desaparece al faltarle
la corriente.
• ROM (Read Only Memory): Esta es una memoria de sólo lectura. En
estas memorias se puede leer su contenido, pero no se puede escribir
en ellas; los datos e instrucciones los graba el fabricante y el usuario
no puede alterar su contenido. Aquí la información se mantiene ante
la falta de corriente.
Pero estas no son todas las memorias disponibles, pues como se observa
en el siguiente cuadro existen otros tipos en las que los sistemas de
programarlas, su borrado y su volatilidad o permanencia de la información
marcan sus diferencias.
Tipo de memoria
Sistema de
programación
Sistema de
borrado
Ante el corte de
tensión la memoria
Eléctrica
Eléctrica
Se pierde, es volátil
Es imposible su
borrado
Se mantiene
RAM
Memoria de lecturaescritura
ROM
Memoria de solo
escritura
Durante su proceso
de fabricación
PROM
Memoria
programable
Eléctrica
Es imposible su
borrado
Se mantiene
Eléctrica
Por rayos UV
Se mantiene
Eléctrica
Eléctrico
Se mantiene
EPROM
Memoria
modificable
EEPROM
Memoria
modificable
La utilización de una memoria depende de las funciones asignadas, así
se utilizará un tipo de memoria u otra.
• Memoria de usuario: El programa de usuario normalmente se graba
en memoria RAM, ya que no sólo ha de ser leído por el
microprocesador, sino que ha de poder ser variado cuando el usuario
9
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
lo desee, utilizando la unidad de programación. En algunos
autómatas, la memoria RAM se auxilia de una memoria de back-up o
respaldo del tipo EEPROM. La desconexión de la alimentación o un
fallo de la misma borraría esta memoria, ya que al ser la RAM una
memoria volátil necesita estar constantemente alimentada y es por
ello que los autómatas que la utilizan llevan incorporada una batería
tampón que impide su borrado.
• Memoria de la tabla de datos: La memoria de esta área también es de
tipo RAM, y en ella se encuentra, por un lado, la imagen de los
estados de las entradas y salidas y, por otro, los datos numéricos y
variables internas, como contadores, temporizadores, marcas, etc..
• Memoria y programa del sistema: Esta memoria, que junto con el
procesador componen la CPU, se encuentra dividida en dos áreas: la
llamada “memoria del sistema”, que utiliza memoria RAM, y la que
corresponde al “programa del sistema o firmware”, que lógicamente
es un programa fijo grabado por el fabricante y, por tanto, el tipo de
memoria utilizado es ROM. En algunos autómatas se utiliza
únicamente la EPROM, de tal forma que se puede modificar el
programa memoria del sistema previo borrado del anterior con UV.
• Memoria EPROM y EEPROM: Independientemente de otras
aplicaciones, algunas ya mencionadas, este tipo de memorias tiene
gran aplicación como memorias copias para grabación y archivo de
programas de usuarios.
Unidad central de procesos (CPU)
La CPU está constituida por los elementos siguientes: procesador,
memoria y circuitos auxiliares asociados.
A continuación hablaremos del procesador: Está constituido por el
microprocesador, el generador de impulsos de onda cuadrada o reloj y
algún chip auxiliar. El procesador se monta sobre una placa de circuito
impreso, en ella y junto al chip del microprocesador se sitúan todos
aquellos circuitos integrados que lo componen, principalmente memorias
ROM del sistema. En algunos tipos de autómatas aquí se sitúan también los
chips de comunicación con periféricos o de interconexión con el sistema de
entradas / salidas.
El microprocesador (µP) es un circuito integrado (chip) a gran escala
de integración que realiza una gran cantidad de operaciones, que se
10
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
agrupan en: de tipo lógicas, de tipo aritmético y de control de la
transferencia de la información dentro del autómata.
Los circuitos internos del µP son de los siguientes tipos:
1. Circuito de la unidad aritmética y lógica o ALU: Es la parte
del µp donde se realizan los cálculos y las decisiones lógicas
para controlar el autómata.
2. Circuitos de la unidad de control o UC: Organiza todas las
tareas del µp. Así, por ejemplo, cuando una instrucción del
programa codificada en código máquina (ceros y unos) llega al
µp, la UC sabe, mediante una pequeña memoria ROM que
incluye, qué secuencia de señales tiene que emitir para que se
ejecute la instrucción.
3. Registros: Los registros del µp son memorias en las que se
almacenan temporalmente datos, instrucciones o direcciones
mientras necesitan ser utilizados por el µp. Los registros más
importantes de un µp son los de instrucciones, datos,
direcciones, acumulador, contador de programa, de trabajo y el
de bandera o estado.
4. Buses: No son circuitos en sí, sino zonas conductoras en
paralelo que transmiten datos, direcciones, instrucciones, y
señales de control entre las diferentes partes del µp. Se puede
hacer una diferencia entre buses internos y externos; los
primeros unen entre sí las diferentes partes del µp, mientras
que los segundos son pistas de circuitos impresos que unen
chips independientes. Los buses internos y externos son
continuación unos de los otros.
La CPU se pondrá en comunicación con la tarjeta cuya
dirección coincida con la combinación del bus.
En la memoria ROM del sistema, el fabricante ha grabado una serie
de programas ejecutivos fijos, firmware o software del sistema y es a estos
programas a los que accederá el µP para realizar las funciones ejecutivas
que correspondan en función del tiempo en que trabaje.
El software de sistema de cualquier autómata consta de una serie de
funciones básicas que realiza en determinados tiempos de cada ciclo: en el
inicio o conexión, durante el ciclo o ejecución del programa y a la
11
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
desconexión. Este software o programa del sistema es ligeramente variable
para cada autómata, pero, en general, contiene las siguientes funciones:
• Supervisión y control de tiempo de ciclo (watchdog), tabla de datos,
alimentación, baterías, etc..
• Auto test en la conexión y durante la ejecución del programa.
• Inicio del ciclo de exploración de programa y de la configuración del
conjunto.
• Generación del ciclo base de tiempo.
• Comunicación con periféricos y unidad de programación.
Hasta que el programa del sistema no ha ejecutado todas las acciones
necesarias que le corresponden, no se inicia el ciclo de programa de
usuario.
El ciclo básico de trabajo en la elaboración del programa por parte de
la CPU es el siguiente: antes de iniciar el ciclo de ejecución, el procesador,
a través del bus de datos, consulta el estado 0 ó 1 de la señal de cada una de
las entradas y las almacena en los registros de la memoria de entradas, esto
es, en la zona de entradas de la memoria de la tabla de datos.
Esta situación se mantiene durante todo el ciclo del programa. A
continuación, el procesador accede y elabora las sucesivas instrucciones del
programa, realizando las concatenaciones
correspondientes de los
operandos de estas instrucciones. Seguidamente asigna el estado de la señal
a los registros de las salidas de acuerdo a la concatenación anterior,
indicando si dicha salida ha o no de activarse, situándola en la zona de
salida de la tabla de datos.
Al fin del ciclo, una vez concluida la elaboración del programa,
asigna los estados de las señales de entrada a los terminales de entrada y los
de salida a las salidas, ejecutando el estado 0 ó 1 en estas ultimas. Esta
asignación se mantiene hasta el final del siguiente ciclo, en el que se
actualizan las mismas.
Dada la velocidad con que se realiza cada ciclo, el orden de 5 a 10
ms / 1K instrucciones, se puede decir que las salidas se ejecutan en función
de las variables de entrada prácticamente en tiempo real.
La figura siguiente representa el ciclo básico de trabajo de un
autómata programable.
12
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Estado de las
entradas
(0 ó 1)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
ENTRADAS
Ejecución de
las
instrucciones
del programa
Ejecución del
estado de las
salidas
(0 ó 1)
SALIDAS
Unidades de entradas-salidas (E/S)
Son los dispositivos básicos por donde se toma la información de los
captadores, en el caso de las entradas, y por donde se realiza la activación
de los actuadores, en las salidas.
En los autómatas compactos, las E/S están situadas en un solo bloque
junto con el resto del autómata.
En los modulares, las E/S son módulos o tarjetas independientes con
varias E/S, y que se acoplan al bus de datos por medio de su conductor y
conector correspondiente, o bien a un bastidor o rack, que le proporciona
dicha conexión al bus y su soporte mecánico.
13
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Las funciones principales de las E/S son el adaptar las tensiones e
intensidades de trabajo de los captadores y actuadores a las de trabajo de
los circuitos electrónicos del autómata; realizar una separación eléctrica
entre los circuitos lógicos de los de potencia, generalmente a través de opto
acopladores, y proporcionar el medio de identificación de los captadores y
actuadores ante el procesador.
Entradas: Estas son fácilmente identificables, ya que se caracterizan
físicamente por sus bornes para acoplar los dispositivos de entrada o
captadores, por su numeración, y por su identificación INPUT o
ENTRADA; llevan además una indicación luminosa de activado por medio
de un diodo LED.
En cuanto a su tensión, las entradas pueden ser de tres tipos:
• Libres de tensión
• A corriente continua
• A corriente alterna
En cuanto al tipo de señal que reciben, éstas pueden ser:
a) Analógicas:
Cuando la magnitud que se acopla a la entrada corresponde a
una medida de, por ejemplo, presión, temperatura, velocidad, etc., esto es,
analógica, es necesario disponer de este tipo de módulo de entrada. Su
principio de funcionamiento se basa en la conversión de la señal analógica
a código binario mediante un convertidor analógico-digital (A/D).
b) Digital:
Son las más usadas y corresponden a una señal de entrada todo o
nada, esto es, a un nivel de tensión o a la ausencia de la misma. Ejemplo de
elementos de este tipo son los finales de carreras, interruptores, pulsadores,
etc.
Salidas: La identificación de estas se realiza igual que en las entradas,
figurando en este caso la identificación de OUTPUT o SALIDA. Es en las
salidas donde se conectan o acoplan los dispositivos de salida o actuadores,
e incluye un indicador luminoso LED de activado.
Tres son los tipos de salidas que se pueden dar:
14
Instrumentación y Control Automático
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
• A relé: Este tipo de salida suele utilizarse cuando el consumo tiene
cierto valor (del orden de amperio) y donde las conmutaciones no
son demasiado rápidas. Son usadas en cargas de contactores, electro
válvulas, etc.
• A triac: En comunicaciones muy rápidas en donde el relé no es capaz
de realizarlas o su vida se hace corta, se utiliza el triac. Su vida es
más larga que la del relé. En cuanto al valor de intensidad, suele
tener valores similares al relé.
• A transistor: Cuando las cargas sean del tipo de poco consumo,
rápida respuesta y alto número de operaciones, como es el caso de
circuitos eléctricos, se debe utilizar estos tipos de salidas. Su vida es
superior a la del relé.
Mientras que la salida a transistor se utiliza cuando los actuadores
son a c.c., las de relés y triac suelen utilizarse para actuadores a c.a.
En cuanto a las intensidades que soportan cada una de las salidas,
esta es variable, pero suele oscilar entre 0.5 y 2 A.
Al igual que en las entradas, las salidas pueden ser analógicas y
digitales, si bien esta última es la más utilizada. En las analógicas es
necesario un convertidor digital-analógico (D/A) que nos realice la función
inversa a la de la entrada.
A continuación se muestra una clasificación de captadores y
actuadores:
Captadores
Digital
Analógico
Pulsadores (l.t.)
Finales de carrera (l.t.)
Llaves interruptoras (l.t.)
Termostatos (l.t.)
Presostatos (l.t.)
Detectores de proximidad (b.t.)
Sensores fotoeléctricos (b.t.)
Células fotoeléctricas (b.t.)
Nivel de líquidos (b.t.)
Transmisores de temperatura
Transmisores de presión
Transmisores de caudal, etc.
Actuadores
Solenoides
Relés
Contactores
Electro válvulas
Válvula de control,
Variadores de frecuencia
(l.t.): Libres de tensión
(b.t.): baja tensión
15
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Interfaces
Son circuitos que permiten la comunicación de la CPU con el
exterior llevando la información acerca del estado de las entradas y
transmitiendo de las entradas y transmitiendo las órdenes de activación de
las salidas.
Constan de enlaces del tipo RS-232 o RS-485, y efectúan la
comunicación mediante el código ASCII.
Asimismo, permite la introducción, verificación y depuración del
programa mediante la consola de programación, así como la grabación del
programa a soporte magnético, en memoria EPROM, comunicación con
TRC (monitor), impresora, etc..
Equipos o unidades de programación
La unidad de programación es el medio material del que se auxilia el
programador para grabar o introducir en la memoria de usuario las
instrucciones del programa. Pero esta unidad realiza otras tareas
fundamentales. La gama de funciones que son capaces de ejecutar los
equipos de programación son múltiples y variados, aumentando el tipo de
éstas e razón directa a la complejidad del equipo. Las funciones básicas de
estos son:
a. Programación:
• Introducción de instrucciones (programa)
• Búsqueda de instrucciones o posiciones de memoria
• Modificación del programa (borrado de instrucciones,
Inserción de instrucciones, modificación de instrucciones)
• Detección de errores de sintaxis o formato
• Visualización del programa de usuario o parte del mismo,
contenido en la memoria de usuario
• Forzamiento del estado de marcas, registros, contadores,
temporizadores, etc.
b. Grabado de programas
• En soporte magnético
• En chip de memoria EPROM o EEPROM
• En papel mediante impresora
16
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
c. Visualización y verificación dinámica del programa
• Del programa o parte del él
• De entradas y salidas
• De temporizadores, contadores, registros, etc.
d. Modos de servicios
• STOP (off-line), o salidas en reposo
• RUN (on-line), o ejecutando el programa
• Otros medios intermedios como MONITOR, etc.
Desde el punto de vista constructivo, podemos distinguir tres tipos
principales:
• Unidades tipo calculadora: Son las más comúnmente utilizadas en
los autómatas de la gama baja; constan del correspondiente teclado,
conmutador de modos, display de cristal líquido o siete segmentos de dos o
más líneas, así como de las entradas para la grabación del programa de
usuario. Puede ser totalmente independiente, ser enchufada directamente en
la CPU, o con ambas posibilidades.
En las de pocas líneas (2, 4) sólo es posible escribir nemónicos, pero
en las de pantalla llamadas de programación gráfica pueden visualizarse
algunas líneas de programa de lenguajes gráficos, datos del programa, etc.
• Consola de programación: Está en una posición intermedia entre la
unidad tipo calculadora y la PC. Consta de pantalla de plasma o tipo similar
y tamaño suficiente para 20-30 líneas y 60-80 caracteres por línea, así
como teclado. Al igual que el PC utiliza el software de programación
preciso para los lenguajes utilizados en el PLC, almacenando los programas
en disquete.
• Unidad con PC: Esta unidad que se adapta al autómata mediante la
interfaz correspondiente y realizan la misma función que la unidad de
programación normal, pero con mayor prestaciones, permitiendo visualizar
los esquemas o diagramas completos o partes importantes de los mismos.
Este equipo incorpora el software necesario para poder trabajar en más de
un lenguaje de programación, incluso realizar la transformación de
lenguajes. La grabación se puede realizar en el disco duro de la PC o en
disquete o CD.
17
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Las instrucciones que se introducen en la unidad de programación no
son directamente interpretables por el procesador, que se ha de auxiliar de
un circuito intermedio llamado Compiler. Es, por tanto, el Compiler el
elemento de unión entre el autómata y la unidad de programación.
Su misión es la de traducir la información textual de la unidad de
programación a lenguaje de máquina y viceversa mediante unos códigos
intermedios que son interpretados por un programa residente en el
firmware.
Tamaño de los autómatas programables
La clasificación de los PLC en cuanto a su tamaño se realiza en
función del número de sus entradas-salidas; son admitidos los tres grupos
siguientes:
• Gama baja: Hasta un máximo de 128 entradas-salidas. La memoria
de usuario de que disponen suele alcanzar un valor máximo de 4K
instrucciones.
• Gama media: De 128 a 512 entradas-salidas. La memoria de usuario
de que disponen suele alcanzar un valor máximo de hasta 16K
instrucciones.
• Gama alta: Más de 512 entradas-salidas. Su memoria de usuario
supera en algunos de ellos los 100K instrucciones.
Elementos de software :Instrucciones y programas
Un programa es una sucesión o lista de distintas órdenes de trabajo
también llamadas instrucciones y capaz de hacer ejecutar al autómata la
secuencia de trabajo pretendida. La pregunta que vamos a tratar de
responder, por tanto, va a ser: ¿Qué es una instrucción?
Una instrucción u orden de trabajo es la parte más pequeña de un
programa y consta de dos partes principales: operación y operando; a su
vez el operando está dividido en símbolo y parámetro.
Instrucción
Operación
¿Qué?
Operando
¿Dónde?
Símbolo
Parámetro
18
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
La operación es el código (CODE) de la instrucción. Puede venir
dado como código numérico o cifra por ejemplo: 08 o código nemónico,
por ejemplo: AND
El operando es el complemento al código u operación. Mediante el
operando indicamos la dirección del elemento de que se trate (contadores,
temporizadores, E/S, marcas internas, etc
La operación le indica a la CPU qué tiene que hacer, o lo que es lo
mismo, la clase de instrucción que ha de ejecutar.
El operando le indica a la CPU dónde debe de hacerlo, o lo que es lo
mismo, dónde debe realizarse esa instrucción.
Cuando se programa, cada instrucción del programa se aloja en una
celda , posición o dirección de memoria que está numeradas en orden
creciente y en función de la capacidad de la memoria en cuestión; en el
caso de una memoria de usuario 1K palabras, las direcciones disponibles
serían de la 0000 a la 1023. Se ha supuesto que cada instrucción ocupe una
palabra que, en general, es de 16 bits o 2 bytes, si la instrucción ocupa más
de 2 bytes como ocurre en algunos casos, el número de direcciones
disponibles se reduce.
Otro concepto a tener en cuenta es el de línea o línea de programa.
Una línea contiene dirección o paso, operación y operando, por tanto, se
puede decir que una línea de programa consta de una instrucción, salvo
algunos casos en el que son necesarias dos líneas para alojar una sola
instrucción.
Ejecución de programas
Como ya se comentó, cuando el autómata se sitúa en el ciclo de
ejecución o ejecución cíclica, la CPU realiza, entre otras funciones, el
barrido del programa contenido en la memoria del usuario, desde la casilla,
dirección o línea 0000 hasta la última posible, según la capacidad de la
misma, esto es, efectúa lo que se denomina ciclo de scanning.
En función de cómo se efectúa la ejecución o barrido del programa,
se distinguen los siguientes sistemas, modos o estructuras de programación:
• Ejecución cíclica lineal: Cuando el ciclo de barrido de la memoria de
usuario se realiza línea tras línea sin solución de continuidad, se dice que la
programación es lineal, y la CPU consulta las instrucciones contenidas en
la memoria secuencialmente, sin alterar este orden.
19
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
• Salto condicional: Cuando el ciclo de ejecución de un programa tiene
la posibilidad, previa condición establecida, de alterar la secuencia línea a
línea del mismo y dar un salto a otras líneas de programa, dejando líneas
sin ejecutar.
• Salto o subrutina: En algunos casos ocurre que en un programa hay
uno o más grupos de secuencias de instrucciones idénticas que se repiten y
que habrá que rescribir tantas veces como éstas se repitan en dicho
programa principal. En estos casos es muy útil escribir una sola vez esta
secuencia o subrutina, e ir a ella cuando se requiera.
• Programas paralelos: En este sistema, utilizado por algunos
fabricantes y denominado de programas paralelos, el procesamiento se
realiza paralelamente y de forma asíncrona. En aquellos casos en que con
un único autómata queremos controlar varios procesos totalmente
independientes, este sistema es muy útil, aunque también se utiliza
controlando funciones de un proceso único. En este tipo de ejecución es
posible el uso de subrutinas en cada programa paralelo.
Sistemas o lenguajes de programación
Varios son los lenguajes o sistemas de programación posibles en los
autómatas programables, aunque su utilización no se puede dar en todos los
autómatas; por esto cada fabricante indica en las características generales
de sus equipos el lenguaje o los lenguajes con los que puede operar. En
general, se podría decir que los lenguajes de programación más usuales son
aquellos que transfieren directamente el esquema de contactos y las
ecuaciones lógicas o los logaritmos, pero éstos no son los únicos.
A continuación figura una relación de los lenguajes y métodos
gráficos más utilizados:
• Nemónico o booleano (AWL): Es un lenguaje en el cual cada
instrucción se basa en las definiciones del álgebra de Boole o álgebra
lógica. A continuación figura una relación de nemónicos, con indicación de
lo que representan:
STD: Operación contacto abierto
STR NOT: operación inicio contacto cerrado
AND (Y): Contacto serie abierto
OR (O): Contacto paralelo abierto
AND NOT: Contacto serie cerrado
OR NOT: Contacto paralelo cerrado
20
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
OUT: Bobina de relé de salida
TMR: Temporizador
CNT: Contador
MCS: Conexión de una función a un grupo de salidas
MCR: Fin de la conexión del grupo de salidas
SFR: Registro de desplazamiento
Etcétera
• GRAFCET: El Gráfico de Orden Etapa Transición (Graphe de
Comande Etape Transition), es un método por el cual se describen en una
forma gráfica perfectamente inteligible las especificaciones de cualquier
automatismo, es decir, es un método de análisis que consiste en
descomponer todo mecanismo secuencial en una sucesión de etapas, las
cuales están asociadas a la acción, transición y receptividad. La siguiente
figura nos da una idea simplificada de este sistema.
Líneas orientadas
Etapa
1
Iniciación o etapa iniciada
Transición o condición asociada
Etapa
2
Acción asociada a la
etapa 2 (salida)
Transición o condición asociada
Etapa
3
Acción asociada a la
etapa 3 (salida)
Transición o condición asociada
21
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
• Diagrama de contactos o lógica escalera (ladder logic): La mayoría
de los fabricantes incorporan este lenguaje, ello es debido a la
semejanza con los esquemas de relés utilizados en los autómatas
eléctricos de lógica cableada, lo que facilita la labor a los técnicos
habituados a trabajar con dichos automatismos. Este lenguaje tiene
como base su representación gráfica, pero debe ir acompañado del
correspondiente cuadro o lista de programación, esto es, la relación
de líneas de programa que configuran el mismo.
Debido a que este lenguaje será el que se utilizará en las prácticas de
laboratorio, profundizaremos en el uso y significado de los principales
símbolos utilizados:
Contactos en general:
Normal abierto
Normal cerrado
Estos representarían físicamente a un pulsador, tecla, golpe de puño,
etc., presentes generalmente en el tablero de comandos.
Bobinas:
Este representaría a una bobina de relé en general, de salida,
auxiliares, etc.
Contadores:
Reset
Salida
Preset: 50
Cuenta
22
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
El contador, en su forma más simple, tiene 2 entradas, la de Cuenta , que es
por donde entran los pulsos a ser contados y Reset que permite la puesta a
cero del mismo. Contiene también un valor interno , definido por el
programador, denominado Preset, que como ejemplo, en este caso, se le ha
dado el valor de 50. La salida se activa cuando ha contado, a través de la
entrada Cuenta, 50 pulsos.
Temporizadores
Entrada
(IN)
Salida
(OUT)
Se puede programar un temporizador con un rango de tiempos variables
desde 10 milisegundos hasta 9999 minutos. Para obtener tiempos más
largos se programan dos temporizadores en serie.
Un temporizador puede funcionar de tres formas diferentes:
• TON: Permite generar un retardo a la conexión, esto es, que
ingresado un uno lógico en la entrada, un tiempo después, se emite por la
salida otro uno lógico. Al caer la entrada, cae también la salida.
Entrada
Salida
t
23
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
• TOF: Permite generar un retardo a la desconexión, es decir, que
ingresada la señal de entrada , simultáneamente hay una señal de salida , la
cual cesa un tiempo “t” después de quitada la señal de entrada, como se
observa en el gráfico a continuación:
Entrada
Salida
t
• TP (monoestable o temporizado al pulso): Permite generar una salida
de duración precisa. Ingresada la señal de entrada , sin importar lo que
suceda después con esta (normalmente un pulso de duración muy breve),
se produce una señal a la salida la cual dura un cierto tiempo “t”.
Gráficamente:
Entrada
Salida
t
24
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Por lo dicho anteriormente el temporizador debe ser configurado eligiendo
el tipo de temporizador y la duración del tiempo “t” deseado).
Frecuencímetro: tiene por misión medir los pulsos que entran por IN , la
frecuencia puede ser leída mediante la palabra %FC.V, como veremos en el
ejemplo más adelante. La frecuencia , para este PLC es un valor numérico
entero positivo que puede estar comprendido entre 0 y 256.
%FC
IN
% FC.V
TYPE FREQ
Modulador por ancho de pulso (PWM): estando habilitada la entrada IN
con un 1 lógico, tiene una palabra interna , denominada %PWM.R, la cual
puede ser escrita con un valor numérico entero positivo comprendido entre
0 y 256 .
%PWM
IN
TB
10 mS
PRESET 75
Para comprender el funcionamiento de este bloque es necesario saber que
la configuración de un PWM requiere ingresar una base de tiempo, por
ejemplo 10 mS y un valor que lo multiplica, denominado PRESET, por
ejemplo 75, obteniéndose así un período a ser modulado de 750 mS;
cuando %PWM.R = 0 , en todo ese período no hay salida, permanece en un
valor de 0 voltios, cuando % PWM.R= 256 , en todo ese período la salida
permanece en alto, esto es 24 Vcc, cuando %PWM.R= 128, la mitad del
período estará en alto , esto es 24 Vcc y la otra mitad en bajo , esto es 0
Vcc y así para cualquier otro valor comprendido entre 0 y 256. La salida es
25
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
automáticamente dirigida a %Q0.0, que en el ejemplo abajo descrito,
excita, fotoacoplador mediante, la base de un transistor de potencia , en
cuyo circuito de colector está el motor CC en serie con la fuente de
alimentación del mismo.
Para entender mejor esto recordemos que la modulación por ancho
de pulso es generar una onda de período constante pero de hemiciclos
variables. Esto es, que si, un motor de CC, bajo la acción de un
“controlador” queda lerdo en frecuencia respecto de lo que se desea,
dentro del período constante, permanece en alto más tiempo que en bajo y
viceversa , cuando el motor está rápido respecto de lo pretendido, dentro
del período constante, está más tiempo en bajo que en alto, cuando coincide
c(t) con r(t) , siendo por lo tanto, nulo el error, los hemiciclos son iguales.
Motor lerdo
Motor a velocidad a
deseada
Motor rápido
Los bloques descriptos no son exhaustivos de todos los disponibles en la
biblioteca de funciones almacenadas en la ROM de un PLC, dependiendo
de sus capacidades, puede contar , entre otras, con las siguientes funciones:
• Programadores cíclicos
• Registros FIFO / LIFO
• Algoritmos PID, etc.
26
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Ejemplo de una aplicación
Este punto de la unidad lo desarrollaremos por medio de la
explicación de la práctica de laboratorio sobre la Planta elecroneumática
basada en PLC ( de 9 entradas y 7 salidas a transistor), lo que nos dará una
clara visión de el potencial de la automatización y sus aplicaciones.
El objetivo de este laboratorio consiste en:
• Controlar la velocidad de un motor de corriente continua, que hace
girar una hélice de cinco paletas. Dado que el PLC no tiene
disponible un bloque tipo PID, se debe implementar un control sólo
proporcional mediante las funciones algebraicas disponibles.
• Controlar dos cilindros neumáticos de doble efecto, comandados por
dos válvulas direccionales de cinco vías y dos posiciones con mando
electro neumático, dotados con fines de carrera en sus extremos .
Esta planta posee un tablero como el que se observa a continuación:
Donde 1 es un foco de color verde que indica la alimentación de línea, es
decir se enciende cuando se habilita la planta por medio de una llave
térmicas 7.
A su vez 2 es un pulsador (normal abierto) de color verde conectado a la
entrada % I0.6 del PLC y su función es la de dar el sentido de marcha “A”
27
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
al motor , 3 es un pulsador (normal cerrado) el cuál esta conectado a la
entrada % I0.5 del PLC y su función es la de invertir el sentido de giro del
motor, cuando éste está andando, y a la misma vez poner en marcha los
cilindros, 5 es un pulsador (normal abierto) de color verde conectado a la
entrada % I0.7 del PLC, cuya función es la de energizar la salida % Q0.6
habilitando todos los circuitos de la programa, cuando esto sucede, se
encenderá el foco 4 de color verde, 6 es un pulsador (normal cerrado) de
color rojo conectado a la entrada % I0.8 del PLC, y su función es la de
deshabilitar los circuitos de la programación quitándole la energía a la
salida % Q0.6.
Además hay que destacar que el resto de la entradas salidas del PLC son las
siguientes: entrada del detector de espacio entre palas de la hélice asociada
al motor está asociada a la entrada % I0.0 del PLC y la salida del PLC que
comanda la alimentación del motor mediante la técnica denominada PWM
(modulación por ancho de pulso) es la % Q0.0.
El siguiente cuadro resume la relación de entradas – salidas del PLC y los
componentes proveniente del tablero y de la planta.
Entradas
Salidas
% I0.0 : conteo de palas , entrada IN del
frecuencímetro.
% I0.1 : fin de carrera, vástago afuera Cilindro
A
%I0.2 : fin de carrera, vástago adentro Cilindro
A
% I0.3 : fin de carrera, vástago afuera Cilindro
B
%I0.4 : fin de carrera, vástago adentro Cilindro
B
% I0.5 : pulsador rojo NC – cambia sentido de
giro de motor y habilita trabajo de los cilindros
doble efecto.
% I0.6 : pulsador verde NA – cambia sentido
de giro de motor y deshabilita trabajo de los
cilindros.
% I0.7 : pulsador verde NA – mando para
habilitar por programa a la Planta.
% I0.8 : pulsador rojo NC – mando para
deshabilitar por programa a la Planta
% Q0.0 : salida PWM a la electrónica de
potencia del motor
%Q0.1: lleva adentro el vástago del Cilindro A
% Q0.2 :lleva afuera el vástago del Cilindro A
% Q0.3 lleva adentro el vástago del Cilindro B
% Q0.4 lleva afuera el vástago del Cilindro B
% Q0.5 : alimenta el relé provocando el
cambio de sentido de marcha del motor y
habilita los cilindros.
% Q0.6 : habilita por programa a la Planta y lo
indica en foco 4
Es preciso aclarar que la asignación de entradas – salidas es totalmente
arbitraria. En una primera etapa se explicará el funcionamiento del sistema
conformado por el motor de corriente continua y posteriormente el
constituido por los cilindros neumáticos.
28
Instrumentación y Control Automático
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Control de velocidad de un motor de corriente continua
Como ya se mencionó, al no contar con un bloque de tipo PID, se
implementa un control sólo proporcional, utilizando bloques de operación
algebraica, con números enteros con su signo (positivos o negativos).
Este sistema está dotado de un sensor fotoeléctrico tipo reflex (ancho
de banda 500 Hz), que entra al PLC, como ya se dijo, a través % I0.0 ( esta
es una entrada para captar eventos rápidos), mientras que la salida a
transistor del PLC que mediante PWM modulará la etapa de potencia de
alimentación al motor es la % Q0.0
La de interfaz y de la electrónica de potencia está ubicada en la parte
posterior del tablero de mando.
Esquemáticamente, el sistema es como se muestra a continuación:
Espejo
Censor
fotoeléctrico
M
I0.0
PLC
Q0.0
Opto
Aislador
Para simplificar el dibujo, no se colocó el relé inversor de marcha, cuyos
bornes de salida irían conectados directamente a los bornes del motor, y sus
bornes de entrada a la otra parte del circuito. A continuación se muestra
esquemáticamente dicho relé:
29
Instrumentación y Control Automático
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Sentido de marcha 1 (% I0.5)
Bornes de entrada
+
-
Bornes de salida
Sentido de marcha 2 (% I0.6)
Bornes de entrada
+
-
Bornes de salida
El software que le fue cargado al PLC para la ejecución de esta
Planta es el siguiente y que por supuesto es factible de ser cambiado a
voluntad, reasignando la relación de entradas – salidas como así también la
tarea que la Planta debe ejecutar como unidad.
CIRCUITO 0
%I0.7
%I0.8
%Q0.6
%Q0.6
Este circuito es lo que se conoce como paro por programa de la
Planta, permite arrancar o parar por completo el sistema. Si recordamos el
tablero de mando que cuenta con dos pulsadores, uno verde (normal
abierto) conectado a la entrada %I0.7 del PLC, y el otro rojo (normal
cerrado) conectado a la entrada %I0.8 (ambos a la derecha del respectivo
tablero).
En el momento que se oprime el pulsador verde ( %I0.7) se energiza
la salida % Q0.6 y mediante un contacto auxiliar de la misma en paralelo
con dicho pulsador, la auto mantendrá en alto y así sostener en estado de
30
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
conducción todos los otros contactos auxiliares % Q0.6 que habilitan cada
escalón del diagrama escalera expuesto. Cuando el pulsador rojo es
presionado (% I0.8), %Q0.6 cae y el sistema se detiene totalmente. Es de
mencionar que los sucesivos escalones que se desarrollan a continuación
para realizar el programa del PLC, deben comenzar con:
y de esta manera asegurar la detención del programa al oprimir el pulsador
rojo arriba mencionado.
CIRCUITO 1
%Q0.6
%I0.0
%FC
IN
S
F
TH0
TYPE FREQ
La variable que debemos controlar es la frecuencia del motor, la cual
es medida por medio del frecuencímetro y leída en la palabra %FC.V. La
señal ingresa desde el sensor fotoeléctrico a través de %I0.0.
CIRCUITO 2
%Q0.6
%MWS := %SW112
CIRCUITO 3
%Q0.6
%MW0 := %SW112 / 2
Por otro lado, tenemos la posibilidad de modificar la velocidad del
motor ajustando el valor deseado r(t) a través de un potenciómetro ubicado
31
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
en la cara frontal del PLC. Un conversor ADC convierte la tensión de los
bornes del potenciómetro en un valor numérico entre 0 y 256, valor que se
almacena en %SW112. Sin embargo, debido a que este valor entre 0 y 256
no se compatibilizan con la máxima frecuencia que puede entregar el motor
(110 vueltas aproximadamente), por lo que %SW112 se divide por dos para
compatibilizar los rangos de r(t) con c(t).
CIRCUITO 4
%Q0.6
%MW1 := %FC.V
La salida del frecuencímetro, mencionada en el circuito 1, es
asignada a la palabra %MW1.
CIRCUITO 5
%Q0.6
%MW2 := %MW0 - %MW1
La diferencia entre %MW1 ó c(t) y %MW0 ó r(t) el error e(t) que se
asigna a %MW2.
CIRCUITO 6
%Q0.6
%MW3 := %MW2 * 2
CIRCUITO 7
%Q0.6
%MW4 := %MW3 + 50
CIRCUITO 8
%Q0.6
%PWM. R := %MW4
32
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
A este error, se lo multiplica por una ganancia igual a 2 (banda
proporcional igual a 50). Luego se le suma un bias de 50 y así obtenemos
en %MW4 la variable manipulada m(t).
Si al error lo multiplicamos por una ganancia extremadamente alta,
el control ya no es proporcional, sino que se transforma en control todo /
nada.
El bias o polarización está presente cuando se utiliza sólo control
proporcional. Se toma como valor 50% porque en el modulador de ancho
de pulso, cuando no hay error, es conveniente que el actuador esté en la
mejor posición (posición media) para poder responder con mayor facilidad
a los cambios de r(t) o enfrentar a los disturbios o perturbaciones.
El valor que toma %MW4 se asigna a %PWM.R que es la entrada a
un bloque modulador de ancho de pulso (PWM) el cual se observa en el
circuito 9 . La salida asignada es %Q0.0 se conecta a la base de un
transistor mediante un fotoacoplador , como ya se dijo, haciendo trabajar al
mismo al corte o saturación, no obstante la respuesta en el control de la
frecuencia ó c(t) es continua debido a la conjunción de alimentación
pulsante y la inercia rotacional del rotor del motor. Es este punto es
importante asignar el período adecuado al PWM, en este caso 750 mS.
CIRCUITO 9
%Q0.6
%Q0.5
%PWM
IN
TB
10 mS
PRESET 75
Cilindros neumáticos
El juego de cilindros a describir realiza una tarea totalmente discreta
(todo / nada), cuya finalidad es la de solo mostrar otras funciones del menú
del PLC.
33
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
A continuación se mostrará un croquis simplificado de los cilindros y
fines de carreras con el fin de mencionar en el mismo las entradas y salidas
que se utilizan del PLC. No olvidemos que los cilindros no están
conectados directamente al PLC como podría dar a entender el dibujo, sino
que existen electro válvulas de dos posiciones y cinco vías, que de acuerdo
a la señal enviada por el PLC el aire es dirigido para que los pistones entren
o salgan.
Fines de carrera, entradas al PLC
I0.1
A
I0.2
Q0.1
I0.3
Q0.2
B
I0.4
Q0.3
Q0.4
Salidas del PLC, vía válvulas direccionales
Ahora procederemos a explicar la continuación del software que
permite el funcionamiento de este subsistema de cilindros.
CIRCUITO 10
%Q0.6
%I0.5
%Q0.5
S
%I0.6
%Q0.5
R
Volviendo al tablero ya mencionado, si en este pulsamos el botón
rojo NC ubicado abajo y a la izquierda (%I0.5), se energiza la bobina
%Q0.5 (set), activando el relé que cambia el sentido de giro del motor, a la
vez que se inicia una secuencia determinada de los cilindros. Notar que la
34
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
entrada %I0.5 está negada, ello es debido a que el mencionado pulsador es
NC , de no estar negado, sin pulsarlo estaría permanentemente
conduciendo.
El pulsador verde NA de arriba a la izquierda (%I0.6) detiene a los
cilindros y restituye el sentido de giro original del motor, esto lo hace
quitándole la energía a la salida o bobina %Q0.5 (reset) y por lo tanto
deshabilitando a todos los circuitos comprometidos en el funcionamiento
de los cilindros.
CIRCUITO 11
%Q0.6
%M.40
%I0.1
%M1
%I0.3
%M3
%I0.2
%I0.4
%M0
%M0
Lo que observamos aquí es que mientras la bobina %M40 no se
encuentre energizada se dará inicio a la secuencia programada para los
cilindros, donde en un primer momento se observa en que posición se
encuentran los pistones y en caso de encontrarse estos afuera se energizan
las bobinas %M1 y/o %M3 con el fin de lograr la posición inicial de
partida deseada (vástagos adentro). Con los vástagos adentro de los
cilindros, suceso indicado con los fines de carrera %I0.2 y %I0.4, se
energiza la bobina %M0 y es enclavada, asegurándose de esta forma de que
se cumpla la condición inicial para poder seguir con el resto de la
secuencia.
35
Instrumentación y Control Automático
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
CIRCUITO 12
%M2
% Q 0.6
%M0
% Q 0.1
% I0.2
% M 30
%TMO
IN
Q
TYPE TOF
TB
1S
ADJ
Y
%TMO. P 2
Si recordamos de la teoría %TM0 es un temporizador que genera un
retardo a la desconexión (TOF) el cual, mientras no esté energizada la
bobina %M30 mantiene energizada a %M2 cuya función es la de enviar
aire a través de la salida %Q0.2 haciendo que el vástago salga afuera
durante 2 segundos. Notar que %Q0.1 no debe estar energizada, ya que es
la acción opuesta, esto la de introducir el vástago.
CIRCUITO 13
%M11
% Q 0.6
%M0
% Q 0.2
% I0.1
% M 30
%TM1
IN
Q
TYPE TOF
TB
100mS
ADJ
Y
%TM1. P 15
En este circuito y en forma análoga al anterior, mientras no esté energizada
la bobina %M30 mantiene energizada a %M11 cuya función es la de
enviar aire a través de la salida %Q0.1 haciendo que el vástago entre y
permanezca así durante 1,5 segundos (base de tiempo TB= 100 mS x
36
Instrumentación y Control Automático
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
TM1.P =15) . Notar que %Q0.2 no debe estar energizada, por la razón ya
apuntada en el circuito anterior.
CIRCUITO 14
%Q0.6
%M0
%M30
%C0.D
%CO
R
E
%M20
%I0.1
S
D
ADJ
Y
%CO. P 5
CU
F
CD
En este circuito lo que observamos es un contador, el cual cuenta
cada vez que el pistón del cilindro “A” sale afuera. Cuando cuenta cinco
acciones energiza %M20 y además se pone a cero.
Notar aquí que lo programado permite que el cilindro A , a partir de una
condición de vástago adentro, comience a salir y permanezca afuera 2
segundos, luego entra y permanece así 1,5 segundo, esto la hace 5 veces, a
la quinta vez que el detector %I0.1 “ve” el vástago afuera, por el circuito
que sigue para el cilindro A y comienza un ciclo similar en el cilindro B.
CIRCUITO 15
%Q0.6
%M.0
%M20
%M30
%M30
37
Instrumentación y Control Automático
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Al ponerse en alto %M20, permite que se energice %M30 y además
se auto enclava permitiendo, como ya se dijo, que pare el cilindro A y
comience a funcionar el cilindro “B” que hasta el momento no lo hacía.
CIRCUITO 16
%M4
% Q 0.6
%M0
% Q 0.3
% I0.4
%TM2
% M 30
IN
Q
TYPE TOF
TB
1S
ADJ
Y
%TM2. P 2
En este circuito hay un temporizador cuya función es equivalente al
circuito 12 pero aplicado al cilindro B.
CIRCUITO 17
% Q 0 .6
% M 0
% Q 0 .4
% I0 .3
% M 30
%M31
%TM3
IN
Q
TYPE TOF
TB
10mS
ADJ
Y
%TM3. P
150
Este es equivalente al circuito 13 pero aplicado al cilindro B, notar
que son 1,5 segundos logrados con una base de tiempo ahora de 10 mS y
un multiplicador de 150.
38
Instrumentación y Control Automático
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
CIRCUITO 18
%Q0.6
%M0
%M30
%C1.D
%I0.3
%C1
R
E
S
D
%M35
ADJ Y
%CO. P 3
CU
F
CD
Aquí nos encontramos con un contador el cual registra las veces que
el pistón del cilindro B sale, y cuando llega a tres (%C1.P=3) energiza
%M35 y además se pone a cero ( reset a cero).
.
CIRCUITO 19
%Q0.6
%M.0
%M35
%M30
%M36
%M36
La puesta en alto de %M35 energiza %M36 la que además se
enclava habilitando al siguiente circuito.
CIRCUITO 20
%Q0.6
%M0
%M30
%M36
%TM5
IN
Q
%M40
TYPE TOF
TB
1S
ADJ
Y
%TMS. P 1
39
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Habilitado este circuito, por medio del temporizador TOF, energiza por un
segundo a %M40 y por lo tanto su contacto auxiliar %M40 NC del circuito
11, se abre, luego de ese segundo, cae %M40, su contacto %NC se ceirra
recomenzando de nuevo todo el ciclo, esto es , entra los vástagos de ambos
cilindros y comienza a trabajar el cilindro A y así cíclicamente, hasta que
pulsemos % I0.8, cayendo %Q0.6 que para toda la planta.
CIRCUITO 21
%Q0.6
%M1
%M0
%Q0.5
%Q0.1
%M11
%M0
%M3
%M0
%Q0.5
%Q0.3
%M31
%M0
%M2
%M0
%Q0.5
%Q0.2
%M4
%M0
%Q0.5
%Q0.4
CIRCUITO 22 FIN DEL PROGRAMA
El circuito 21, se le denomina “asignación de salidas”, esto es porque
ninguna salida (bobina) , ubicadas siempre en la columna de la derecha,
debe estar repetida, caso contrario el PLC ejecuta la última asignación, para
evitar eso nos valemos de la marcas %M0, %M1, etc.
Si se observa la primera línea, en términos de lógica combinacional, nos
dice que si la %Q0.6 está energizada, luego su contacto auxiliar %Q0.6
conducirá y si %M1 conduce y si aún no están los vástagos adentro y si
%Q0.5 está energizada (que permite el funcionamiento de los cilindros),
luego %Q0.1 se puede energizar y hacer entrar el vástago del cilindro A,
40
Instrumentación y Control Automático
Unidad 7: Automatismos con Controladores Lógicos Programables (PLC)
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
después, al estar ambos vástagos adentro , %M0, se energiza (circuito 11) y
por lo tanto es ahora %M11 la que tiene mando sobre %Q0.1 y no ya %M1.
Igual análisis corresponde a las otras líneas de este circuito.
Por último cabe señalar, una vez más, que este programa pretende mostrar
al alumno no familiarizado con los PLC`s , parte de su potencial y que por
lo tanto, la relación de entradas con las salidas, a través del programa se
puede modificar a voluntad , incluir otro tipo de bloques, etc.
Profesor Titular: Ing. Alfredo Ernesto Puglesi
Profesor Adjunto: Ing. María Susana Bernasconi
JTP: Ing. Esther Bibiana Castiglione
Colaboró: Marcos Castagnolo
41