-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
1
AUTOMATIZACION
Introduccin
PLC. Un controlador lgico programable, ms conocido por sus
siglas en ingls PLC
(Programmable Logic Controller), es una computadora utilizada en
la ingeniera automtica o
automatizacin industrial, para automatizar procesos
electromecnicos, tales como el control de la
maquinaria de la fbrica en lneas de montaje o atracciones
mecnicas.
Los PLCs son utilizados en muchas industrias y mquinas. A
diferencia de las computadoras de
propsito general, el PLC est diseado para mltiples seales de
entrada y de salida, rangos de
temperatura ampliados, inmunidad al ruido elctrico y resistencia
a la vibracin y al impacto. Los
programas para el control de funcionamiento de la mquina se
suelen almacenar en bateras copia
de seguridad o en memorias no voltiles. Un PLC es un ejemplo de
un sistema de tiempo real duro
donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta
a las condiciones de entrada
dentro de un tiempo limitado, que de lo contrario no producir el
resultado deseado.
Historia
Su historia se remonta a finales de la dcada de 1960, cuando la
industria busc en las nuevas
tecnologas electrnicas una solucin ms eficiente para reemplazar
los sistemas de control
basados en circuitos elctricos con relevadores, interruptores y
otros componentes comnmente
utilizados para el control de los sistemas de lgica
combinacional.
En un rack UR2 de 9 ranuras, de izquierda a derecha: fuente de
alimentacin PS407 4A, CPU 416-3,
mdulo de interfaz IM 460-0 y procesador de comunicaciones CP
443-1.
En 1968 GM Hydramatic (la divisin de transmisin automtica de
General Motors) emiti una
solicitud de propuestas para un reemplazo electrnico de los
sistemas cableados de relevadores. La
propuesta ganadora vino de Bedford Associates. El resultado fue
el primer PLC, designado 084
porque era el proyecto de Bedford Associates n 84.2 Bedford
Associates comenz una nueva
empresa dedicada al desarrollo, fabricacin, venta y
mantenimiento de este nuevo producto:
Modicon (MOdular DIgital CONtroler). Una de las personas que
trabajaron en ese proyecto fue
Dick Morley, quien es considerado como el "padre" del PLC.3 La
marca Modicon fue vendida en
1977 a Gould Electronics, y posteriormente adquirida por la
compaa alemana AEG y luego por la
francesa Schneider Electric, el actual propietario.
Hoy en da, los '''PLC''' no slo controlan la lgica de
funcionamiento de mquinas, plantas y
procesos industriales, sino que tambin pueden realizar
operaciones aritmticas, manejar Seales
analgica / digitales, para realizar estrategias de control,
tales como controladores proporcional
integral derivativo (PID).
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
2
Los ''PLC'' actuales pueden comunicarse con otros controladores
y PCs por Red de rea local, y
son una parte fundamental de los modernos sistemas de control
distribuido.
Existen varios lenguajes de programacin, tradicionalmente los ms
utilizados son el diagrama de
escalera, preferido por los electricistas, lista de
instrucciones y programacin por estados, aunque
se han incorporado lenguajes ms intuitivos que permiten
implementar algoritmos complejos
mediante simples diagramas de flujo ms fciles de interpretar y
mantener. Un lenguaje ms
reciente, preferido por los informticos y electrnicos, es el
[[FBD]] (en ingls Function Block
Diagram) que emplea compuertas lgicas y bloques con distintas
funciones conectados entre s.
En la programacin se pueden incluir diferentes tipos de
operandos, desde los ms simples como
lgica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y
operadores matemticos, hasta
operaciones ms complejas como manejo de tablas (recetas),
apuntadores, algoritmos PID y
funciones de comunicacin multiprotocolos que le permitiran
interconectarse con otros
dispositivos.
Desarrollo
Los primeros PLC fueron diseados para reemplazar los sistemas de
relevadores lgicos. Estos PLC
fueron programados en "Lenguaje Ladder", que se parece mucho a
un diagrama esquemtico de la
lgica de relevadores. Este sistema fue elegido para reducir las
demandas de formacin de los
tcnicos existentes. Otros autmatas primarios utilizaron un
formulario de listas de instrucciones
de programacin.
Los PLCs modernos pueden ser programados de diversas maneras,
desde la lgica de escalera de
relevadores, a los lenguajes de programacin tales como dialectos
especialmente adaptados de
BASIC y C. Otro mtodo es la lgica de estado, un lenguaje de
programacin de alto nivel diseado
para programar PLCs basados en diagramas de estado.
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
3
Funciones
La funcionalidad del PLC ha evolucionado con los aos para
incluir el control del relevador
secuencial, control de movimiento, control de procesos, Sistemas
de Control Distribuido y
comunicacin por red. Las capacidades de manipulacin,
almacenamiento, potencia de
procesamiento y de comunicacin de algunos PLCs modernos son
aproximadamente equivalentes a
las computadoras de escritorio. Un enlace-PLC programado
combinado con hardware de E/S
remoto, permite utilizar un ordenador de sobremesa de uso
general para suplantar algunos PLC en
algunas aplicaciones. En cuanto a la viabilidad de estos
controladores de ordenadores de
sobremesa basados en lgica, es importante tener en cuenta que no
se han aceptado
generalmente en la industria pesada debido a que los ordenadores
de sobremesa ejecutan
sistemas operativos menos estables que los PLCs, y porque el
hardware del ordenador de escritorio
est tpicamente no diseado a los mismos niveles de tolerancia a
la temperatura, humedad,
vibraciones, y la longevidad como los procesadores utilizados en
los PLC. Adems de las
limitaciones de hardware de lgica basada en escritorio; sistemas
operativos tales como Windows
no se prestan a la ejecucin de la lgica determinista, con el
resultado de que la lgica no siempre
puede responder a los cambios en el estado de la lgica o de los
estado de entrada con la
consistencia extrema en el tiempo como se espera de los PLCs.
Sin embargo, este tipo de
aplicaciones de escritorio lgicos encuentran uso en situaciones
menos crticas, como la
automatizacin de laboratorio y su uso en instalaciones pequeas
en las que la aplicacin es
menos exigente y crtica, ya que por lo general son mucho menos
costosos que los PLCs.
Revisin histrica
1968: Procesador cableado sustituye a relevadores.
70s
Incorporacin de elementos hombre-mquina.
Manipulaciones de datos
Operaciones aritmticas
Comunicaciones (ordenador)
Incremento de memoria
E/S remotas
Desarrollo de comunicaciones con dispositivos
80 s
Avance de la tecnologa P
Alta velocidad de respuesta, ms lenguajes
Reduccin de dimensiones
Mdulos inteligentes, autodiagnstico
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
4
90S
Buses de campo abiertos
Utilizacin de tecnologa de ordenador: PCMCIA /ETHERNET
Plug & Play / Easy to use
Pros
1. PLCs son buenos en transformar los resultados de encendido o
apagado basndose en el
estado de las entradas. (Control)
2. PLC son buenos para reunir y concentrar una gran cantidad de
datos y el
estado en que se carga en una computadora en un formato
compacto
3. PLC son ms resistentes que las computadoras y suelen durar
cinco, siete, diez aos sin
necesidad de reemplazo
Contras
1. PLC no son los mejores en el manejo de grandes cantidades de
datos o datos complejos.
2. PLC no son los mejores en la lectura y la escritura bases de
datos.
3. PLC no son los mejores en la salida de datos resultantes para
impresoras.
4. PLC no son los mejores en la visualizacin de datos e
informacin para el operador.
AUTOMATIZACIN DE PROCESOS
Automatizacin
Dotacin a la fase de produccin de un sistema de control,
potencia y comunicacin,
que realice el trabajo y que pueda ser gobernado por el operador
mediante un sistema de mando
Qu es un automatismo?
Todo dispositivo fsico (elctrico, electrnico, neumtico,
hidrulico, etc.), capaz de controlar el
funcionamiento de una mquina o proceso , Libera al hombre de
operaciones peligrosas, pesadas
o rutinarias.
El elemento de control
Ejecuta el programa lgico interno
Reacciona ante la informacin recibida las terminales de
entrada
Acta sobre los accionamientos de la instalacin.
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
5
OBJETIVO DE LA AUTOMATIZACIN
Funciones bsicas de la automatizacin de una mquina o
instalacin
Disminuir costos: humanos, energticos, materiales, etc.
Mejorar la calidad del producto acabado, calidad constante
Evitar tareas de difcil control manual: peligrosas, complejas o
rpidas
Informacin en tiempo real del proceso
Aumentar la produccin y flexibilidad de las mquinas (adaptacin
al mercado)
Facilitar la deteccin de averas y su reparacin
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
6
Tecnologas de automatizacin
Lgica Cableada
Lgica Programada
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
7
Automatismos cableados
En qu consiste?
Automatismo realizado mediante el cableado de los elementos que
intervienen: sensores,
actuadores, relevadores, contactores
Inconvenientes:
Ocupa mucho espacio
Poca flexibilidad para modificaciones, mejoras, etc.
Problemas de mantenimiento, localizacin y correccin de
averas.
Difcil implantacin de algoritmos que no sean derivados del
lgebra de Boole
Tipo de control: on/off
Los elementos de control en automatismos cableados (Hard Wired
Control) son:
a) contactores
b) relevadores
Automatismos programados
En qu consiste?
Incorporacin de controladores y de los programables al entorno
industrial.
Inconvenientes:
Personal tcnico para instalacin y programacin
Incorporacin de controladores programables al entorno
industrial.
Coste elevado en aplicaciones de pequea envergadura
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
8
Ventajas:
Simplificacin en la elaboracin de proyectos. No planos de
contactos (cableada)
Facilidad en la introduccin de modificaciones: cambios en
programa.
No sustitucin de cables ni elementos activos (relevadores)
Instalacin cmoda y sencilla. Minimizacin de espacio
Mantenimiento rpido y sencillo: herramientas software de
diagnstico y reparacin
Capacidad de control multiproceso
Documentacin inmediata de aplicaciones
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
9
AUTMATAS PROGRAMABLES DE SIEMENS.
QU ES UN PLC AUTMATA PROGRAMABLE
Programmable Logic Controller -Dispositivo electrnico
programable, en lenguaje especfico,
diseado para controlar, en tiempo real y en un medio industrial,
procesos secuenciales.
Ejemplos de PLCs
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
10
GENERALIDADES PLCs
Criterios de seleccin:
Nmero de E/S a controlar
Capacidad de la memoria de programa
Potencia de las instrucciones
Posibilidad de conexin de perifricos, mdulos especiales y
comunicaciones.
Clasificacin PLC por tipo de formato
COMPACTOS: Suelen integrar en el mismo bloque la alimentacin,
entradas y salidas y/o el
CPU. Se expanden conectndose a otros con caractersticas
parecidas. Ejem: S7-200
MODULARES: Estn compuestos por mdulos o tarjetas conectadas a
rack con funciones
definidas: CPU, fuente de alimentacin, mdulos de E/S, etc Ejem:
S7-300 La expansin
se realiza mediante conexin entre racks.
ESTRUCTURA DE UN AUTMATA PROGRAMABLE
Bloques principales de un PLC:
CPU
Perifricos: dispositivos de interfaz con entorno
Buses: internos y externos, interconexin entre CPU y
perifricos
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
11
Unidad central de proceso
Funcin principal:
Consulta el estado de las entradas.
Recoge de la memoria la secuencia de instrucciones a
ejecutar.
Elabora las seales de salida.
Comunica con perifricos Realiza chequeos, etc
Memoria
La memoria del PLC se encuentra dividida en varias reas,
Memoria interna: Memoria del proceso, como entradas, salidas,
variables internas.
suele clasificarse en:
Posiciones de 1 bit: imagen de e/s, relevadores internos,
relevadores especiales/auxiliares
Posiciones de byte o palabra: temporizadores, contadores,
registros de uso general.
rea de sistema operativo:
Sirve para almacenar los datos necesarios del PLC .
El fabricante graba programa de comportamiento PLC
ROM, no voltil.
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
12
rea de datos:
Esta rea es usada para almacenar valores o para obtener
informacin sobre el estado del
PLC.
RAM
Memoria de Programa: Memoria de control, como configuracin y del
Programa. Suele ser
externa y enchufable a la CPU, aunque en la fase de prueba se
suele usar RAM + batera
rea de programa:
El usuario graba el programa a ejecutar por el PLC
RAM con batera, EPROM EEPROM
Interfaces de E/S
Son elementos que establecen la comunicacin entre CPU y proceso
que se desea controlar, entre
sus principales funciones estn las siguientes:
Filtrar, adaptar y codificar las seales de entrada
Decodificar y amplificar las seales de salida.
Entradas habituales:
CC a 24 O 48 VCC.
AC a 110 o 220 VAC.
Analgicas de 0-10 V o 4-20 mA.
Salidas tpicas:
Por relevador
Estticas por triac a 220 V (max.)
Colector abierto a 24 o 48 VCC.
Analgicas de 0-10 V o 4-20 mA.
Fuente de alimentacin
Proporciona las tensiones y corrientes necesarias. Salvo en
pequeos compactos, se suele separar
al menos en:
Alimentacin del autmata (CPU, memoria einterfaces). Normalmente
a 24 Vcc.
Alimentacin de los emisores de seal y de los actuadores de
salida.
Puede ir en continua o alterna segn las necesidades.
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
13
Modos de operacin
RUN: El programa ejecuta normalmente el programa de usuario y
todas las posiciones internas
excepto las remanentes, pasan a OFF.
STOP: La ejecucin se detiene (usuario, programa o error) y las
salidas pasan a estado OFF. Las
posiciones internas mantienen su estado.
Cmo trabaja un plc?
Ciclo de scan
Conjunto de tareas, adems de programa de usuario, que el autmata
lleva a cabo cuando est
controlando un proceso.
Tareas comunes: (supervisin general)
Aceptacin de entradas y actuacin sobre salidas
Excusin de las instrucciones
Servicio a perifricos
Tiempo de respuesta
Tiempo necesario para llevar a cabo las distintas operaciones de
control de un proceso externo. El
tiempo de respuesta de un sistema (activacin de una seal de
salida en relacin a una entrada)
viene determinado por:
Tiempo de scan de la cpu
Tiempo de on/off de los mdulos de e/s
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
14
Ciclo de funcionamiento
El tiempo de ciclo depende de:
nmero de entradas y salidas
longitud del programa de usuario
nmero y tipo de perifricos conectados
Ser la suma de tiempos de:
autodiagnsticos
actualizacin de E/S (retardos de conmutacin)
ejecucin del programa (ms/Instruccin)
servicio a perifricos
Elementos de proceso rpido
Procesamiento de alarmas (interrupcin externa)
Procesamiento de rutinas peridicas (interrupcin temporizada)
Lectura de impulsos de alta frecuencia
Deteccin de seales de corta duracin
Configuracin
Unidad de control (UC)
Arquitectura de las tarjetas
Arquitectura del sistema
Redundancia
Sistema de E/S
Arquitectura de las tarjetas
Las tarjetas de la UC, pueden llevar uno o varios
procesadores.
Procesador nico:
Micro estndar
Circuito ASIC especfico
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
15
Procesadores mltiples:
DOBLE (bits y palabras)
COPROCESADORES (supervisor, booleanos, aritmticos, otros)
Tipos de Control
Control centralizado: unidad de control compacta (todas las E/S
a una nica CPU, mono proceso)
Control distribuido: Unidad de control modular (varios
procesadores con sus E/S conectados a una
Unidad central, multiproceso), Posibles configuraciones:
Multiprocesadores centrales
Varias unidades centrales en un mismo bastidor gestionadas por
una
unidad de coordinacin.
Permite la estructuracin de la tarea de control.
En caso de ampliacin basta con aadir otro procesador
Se reducen los tiempos de respuesta frente a seales rpidas
Ejemplo: Simatic S5-135 (hasta 4 unidades centrales).
Procesadores
disponibles: S (lgicas), R (aritmticas) y M (estadsticas y de
gestin)
Procesador central + procesadores perifricos
Incorporan nuevas tareas descargando la CPU:
_ Transmisin de datos
_ Posicionamiento de mviles sobre ejes
_ Tratamiento de seales analgicas
Intercambian informacin con la CPU:
_ Parmetros de configuracin
_ rdenes de control de funcionamiento
_ Seales de interrupcin, indicadores de fin, valores
elaborados
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
16
Procesadores en red
Mayor disponibilidad y puestas en marcha ms rpidas
Redundancia
Es bsicamente, un sistema perifrico descentralizado, tolerante a
fallas.
El perifrico descentralizado es el sistema que permite ahorrar
cableados, cpu, etc. Con la
Redundancia se pretende incrementar la disponibilidad del
sistema de control. Consiste en uno o
ms cpus de grandes prestaciones (maestro), con grandes
capacidades de ampliacin, etc.
Para qu sirve?
Este sistema, es util para procesos que no pueden detenerse, por
ejemplo imaginen una fbrica de
botellas que procesa 1000 botellas por minuto, controlada por
varias CPU, y un cpu encargado de
abrir una compuerta se detiene, en caso de que la falla se
detectara al minuto, habran 1000
botellas destruidas. UNA CATSTROFE.
Entonces, en este caso si hubiera CPUs en redundancia se podra
salvar este problema.
Hay muchas cosas que pueden influir en una falla en el
proceso,
o simplemente se desea hacer mantenimiento en el sistema, o una
modificacin, y la forma es por
medio hacer una permuta para dar el mantenimiento y se continua
con el otro.
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
17
Cmo funciona?
Funciona a travs de dos o ms CPUs con conexion de red(profibus,
profinet, etc)(*), varias
subestaciones comandadas por ET200M(siemens), en la cual se
montan los mdulos I/O.
(*) en siemens se pueden usar las Cpu S7 300 y S7 400 que tengan
la terminacin 2DP. EJ. "S7 300,
CPU 315 2D0P"
Tipos de Redundancia
total: 2 UC idnticas con sus propias E/S, acopladas entre s y
funcionando en
paralelo
parcial: 2 UC idnticas conectadas al mismo interfaz de E/S
-
CURSO PLCs CBTis 118 M. en I. Tomas G. Torres Luna
18
Configuracin del sistema de E/S
Existe bsicamente 2 formas de configurar las Entrada y salidas
de un PLC
Centralizadas
o Autmatas compactos, autmatas (+mdulos)
o Autmatas modulares (+mdulos y +bastidores)
Distribuidas
o Locales (50-100 m). Bastidor de expansin
o Remotas (>100 m). Bus de campPueden disminuir los costos de
instalacin
o Aumenta la seguridad de la transmisin
Configuracin de un S5-135
Configuracin de E/S Remotas
Son entrada y salidas que pueden accederse de manera remota, y
principalmente pueden ser
E/S, como accionadores y dispositivos de campo inteligentes
conectados a bus de campo estndar
(PROFIBUS).