Capítulos 1, 2, 3, 4, 5 y 6

Elementos de un proceso a automatizar 13

1 Elementos de un proceso a automatizar

Un proceso a automatizar requiere tener en cuenta un conjunto de elementos, cada uno de los cualesrealiza su funcin dentro del proceso. Podramos representar el proceso con el sistema de control yestos elementos mediante el grfico de la figura 1.

Fig. 1

Seguidamente trataremos cada uno de los elementos que aparecen en este grfico a fin de tener unavisin general de las necesidades y posibilidades de la automatizacin industrial.

1.1 Elementos de entrada de rdenes

Son los que permiten al operador la entrada de datos y rdenes al sistema. Podemos clasificarlos endos categoras: binarios y numricos (o alfanumricos). Los elementos binarios son los que nospermiten entrar rdenes del tipo s/no (cierto/falso, activado/desactivado, etc.). Entre ellos destaca el

14 Automatismos elctricos programables

pulsador que es el ms usado en el entorno industrial, sin embargo, podemos destacar tambin losinterruptores, los conmutadores, etc.

Los elementos numricos permiten la entrada de nmeros (codificados de diversas formas, como yaveremos). Los ms corrientes son los preselectores digitales que son elementos con una ruedanumerada (habitualmente del 0 al 9) que se puede hacer girar en uno u otro sentido mediante unosbotones; el valor que aparece en el frontal del preselector es el que se enva al sistema de control.Tambin destacan los teclados numricos.

Los elementos alfanumricos permiten entrar letras y nmeros (a menudo codificados en cdigoASCII), en la mayor parte de los casos se trata de teclados.

1.2 Elementos de entrada de informacin

Los elementos de entrada de informacin se pueden clasificar segn el tipo de seal que faciliten osegn la magnitud que indiquen.

Segn el tipo de seal podemos distinguir los binarios, los numricos y los analgicos. Los binarioscomparan la magnitud con una referencia (umbral) y la salida corresponde al resultado de lacomparacin (mayor/menor); un ejemplo podra ser un termostato. Los numricos facilitan un cdigonumrico que corresponde al valor de la magnitud leda; un ejemplo podra ser un codificador deposicin axial absoluto (encoder).

Los analgicos dan una seal en forma de tensin elctrica (o de corriente elctrica) proporcional alvalor de la magnitud; por ejemplo podemos citar un transductor de par mecnico. Las informacionesde tipo analgico se presentan habitualmente en uno de los siguientes cuatro rangos: 0 a 10 V, 0 a 20mA, -10 a 10 V y 4 a 20 mA

Las seales en corriente (0-20 mA y 4-20 mA) tienen la ventaja respecto a los de tensin de no verseafectados por la longitud de los conductores; adems el tipo 4-20 mA facilita la deteccin de averasdado que el valor 0 mA slo se puede obtener en caso de mal funcionamiento. Por estos motivos eltipo 4-20 mA es el ms usado en el entorno industrial.

Las magnitudes a detectar o medir son muchas, podemos destacar algunas: Temperatura, presin,caudal, pH, posicin, velocidad, aceleracin, fuerza, par mecnico, deformacin, corriente elctrica,tensin elctrica, potencia, iluminacin, presencia (final de carrera), proximidad (inductivos,capacitivos,...), etc.

Adems podemos incluir dentro de esta categora los avisos (todos ellos binarios) procedentes de lospreaccionadores; como podran ser estado de contactores, fusibles, rels trmicos, etc.


1.3 Elementos de salida de informacin

Se encargan de la comunicacin con el operador. Se pueden clasificar de forma similar a los de entradade rdenes. Los elementos binarios son los que dan informaciones del tipo s/no (cierto/falso,activado/desactivado, etc.). Entre ellos destaca el piloto visualizador, pero tambin podemos citar lostimbres, las sirenas, etc.

Los elementos numricos y alfanumricos permiten la visualizacin de nmeros o de nmeros y texto.Los ms sencillos son los displays de 7 segmentos y los displays alfanumricos, pero tambin destacanlas pantallas de cristal lquido (LCD) que permiten mensajes ms largos y complejos o los monitores(parecidos a pantallas de ordenador) que permiten presentar grficos (por ejemplo sinpticos) fijos oen movimiento.

1.4 Preaccionadores y accionadores

Los accionadores son los encargados de actuar sobre el proceso. A menudo los accionadores no sondirectamente conectables al sistema de control y requieren preaccionadores.

Por ejemplo, un motor elctrico necesita un contactor (o un interruptor) o un variador de velocidadpara poder funcionar, un cilindro neumtico necesitar una vlvula distribuidora; un cilindro o unmotor hidrulico necesitar una vlvula distribuidora o una vlvula proporcional; a un calentadorelctrico le har falta un contactor o un variador de tensin; etc. Fijmonos que entre los citados hayelementos binarios (contactor, vlvula distribuidora) y elementos de pedido analgico (variador detensin, vlvulas proporcionales).

1.5 Sistema de tratamiento de la informacin

El sistema de tratamiento de la informacin establece la forma en que se tienen que combinar lasentradas de informacin a fin de activar las salidas del proceso. Cuando una combinacin de entradassiempre da lugar a la misma combinacin de salidas se dice que el proceso es de tipo combinacional.

Fig. 2


El circuito de una mquina de picar carne (figura 2) sera un circuito combinacional. Su tabla defuncionamiento sera la tabla 1.

Tabla 1

P D M

No No No

Si No No

No Si No

Si Si Si

Cuando una combinacin de entradas da lugar a combinaciones diferentes de salidas dependiendo dela historia que ha seguido el proceso para llegar donde est, se dice que el proceso es de tiposecuencial. Un ejemplo de circuito secuencial podra ser un circuito marcha-parada (figura 3).

Fig. 3

Tabla 2

P M R R P M R R

No No No No Si No No No

No No Si Si Si No Si No

No Si No Si Si Si No No

No Si Si Si Si Si Si No


En este circuito el pulsador M activa un rel R. Un contacto de este rel hace un puente al pulsadorM. Esto hace que el pulsador se pueda dejar sin que se desactive el rel. Para desactivar el rel esnecesario apretar el pulsador P. Esto se ve reflejado en la tabla de funcionamiento (tabla 2) dondeobservamos que entre las condiciones aparece el propio rel.

lgebra de Boole 19

2 lgebra de BooleEl lgebra de Boole describe el conjunto de propiedades que cumplen las funciones bsicas de lalgica. Dado que todos nuestros elementos slo pueden tener dos valores (1 y 0) podemos decir quenuestra lgebra es de tipo binario.

Los elementos de entrada de seales a un circuito (pulsadores, interruptores, etc.) pueden tener dosestados: conectado (cerrado) y desconectado (abierto). Los elementos de salida (contactores, rels,electrovlvulas, etc.) tambin tienen dos estados: excitado (trabajo) y desexcitado (reposo).

El primer estado (conectado, excitado) lo representamos por 1 y el segundo (desconectado,desexcitado) por 0. Estas cifras (1 y 0) corresponden a la forma que la lgica usa para representarcualquiera de las combinaciones s-no, cierto-falso, presente-ausente, conectado-desconectado, etc.

Para describir la ecuacin de un circuito, siempre partiremos de la situacin de reposo (y, por tanto,la ms segura) de sus componentes.

2.1 Elementos bsicos de una maniobra elctrica

Definimos como elementos base de una maniobra elctrica los siguientes:

Pulsador normalmente abierto

Cuando est apretado, deja pasar corriente por l y podemos escribir P1=1. Si no est apretado, no dejapasar corriente y escribimos P1=0.

Fig. 4


Bajo esta simbologa inclumos, adems del pulsador, otros elementos que cambian de estado poractuaciones externas al circuito de maniobra (final de carrera, detector de proximidad, etc.).

Bobina de rel (o de contactor)

Cuando pasa corriente por l, est excitada y decimos que r1=1. Si no pasa corriente por l, estdesexcitada y escribimos r1=0. Dentro de este elemento consideramos otros elementos de salida(electrovlvulas, etc.) que al hacer los esquemas dibujaremos con un smbolo diferente segn se tercie.

Fig. 5

Contacto normalmente abierto de un rel (o contactor)

Este caso es similar al del pulsador normalmente abierto pero el cambio de estado es por causasinternas al circuito de maniobra. Cuando el rel est excitado (r1=1), deja pasar corriente por elcontacto y decimos R1=1. En caso contrario (r1=0) tenemos R1=0.

Fig. 6

Conviene mencionar que estamos representando las bobinas de los rels por letras minsculas y suscontactos por maysculas.

2.2 Elementos complementarios de una maniobra elctrica

Adems de los elementos citados, conocemos otros dos tipos de elementos: pulsador normalmentecerrado y contacto normalmente cerrado de un rel. Estos elementos son los complementarios de dosde los elementos anteriores y los representaremos con una raya encima. As:

lgebra de Boole 21

Pulsador normalmente cerrado

Cuando est apretado, es decir cuando P1 = 0 , no pasa corriente por l. Si no est apretado, es decirsi P1 = 1 , pasa corriente por l.

Fig. 7

Contacto normalmente cerrado de rel

Cuando el rel est desactivado, es decir si r1 = 0 ser R1 = 1 y pasa corriente por l. Si estactivado, es decir si r1 = 1 , ser R1 = 0 y no pasa corriente por l.

Fig. 8

2.3 Elementos bsicos del lgebra de Boole

En el caso de las maniobras elctricas, el lgebra de Boole permite escribir las siguientes expresionescomo representacin de los esquemas que las acompaen.

Fig. 9

r1 = 0

Rel siempre desactivado


Fig. 10

r1 = 1

Rel siempre activado

Fig. 11

r1 = P1

Rel concordante con pulsador

Fig. 12

r1 = P1

Rel discordante con pulsador

2.4 Funciones base del lgebra de Boole

Las funciones base del lgebra son aquellas sobre las cuales se definen las propiedades quecaracterizan cada lgebra. Las funciones de nuestra lgebra sern AND (y-lgica) y OR (o-lgica).

Las propiedades de las funciones base se exponen, como se hace con otras lgebras, para los casos dedos y tres elementos, segn se tercie. Su generalizacin es evidente.

Para clarificar conceptos vale la pena mencionar en el caso del lgebra de los nmeros reales, lasfunciones son adicin (suma) y multiplicacin (producto).

lgebra de Boole 23

2.4.1 Funcin AND

Corresponde al caso en que hay dos pulsadores (P1, P2) en serie. Este circuito deja pasar corrientecuando P1 y P2 estn apretados; tal como muestra el circuito de la figura 13 y la tabla de verdadque le acompaa (tabla 3). Para simplificar la funcin AND a menudo se representa con un punto .

Tabla 3

P1 P2 r1

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1Fig. 13

r1 = P1 AND P2 = P1 P2

P1 P2 r1] [ ] [ ( )

La funcin AND viene caracterizada por una serie de propiedades que comentamos a continuacin.

La propiedad conmutativa dice que el orden de los operandos no altera el resultado.

P1 P2 = P2 P1 (2.1)

La propiedad asociativa dice que en caso de tener que operar con tres elementos, no importa el ordencon que se hacen las operaciones parciales.

(P1 P2) P3 = P1 (P2 P3) (2.2)

El 0 es un elemento nulo ya que operado con cualquier otro el resultado es 0.

P1 0 = 0 (2.3)

El 1 es el elemento neutro ya que operado con una variable la deja invariante.

P1 1 = P1 (2.4)

Presenta idempotencia dado que al operar una variable consigo se obtiene la misma variable.

P1 P1 = P1 (2.5)


Cada elemento tiene un elemento simtrico que operado consigo da el elemento nulo.

P1 P1 = 0 (2.6)

2.4.2 Funcin OR

Corresponde al caso en que hay dos pulsadores (P1, P2) en paralelo. Este circuito deja pasar corrientecuando P1 o P2 (o ambos) estn apretados; tal como muestra el circuito de la figura 14 y la tablade verdad (tabla 4) que le acompaa. Para simplificar la funcin OR a menudo se representa con unacruz + .

Tabla 4

P1 P2 r1

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1 Fig. 14

r1 = P1 OR P2 = P1 + P2

P1 r1] [ ( )

P2] [

La funcin OR viene caracterizada por una serie de propiedades que comentamos a continuacin.

La propiedad conmutativa dice que el orden de los operandos no altera el resultado.

P1 + P2 = P2 + P1 (2.7)

La propiedad asociativa dice que en caso de tener que operar con tres elementos, no importa el ordencon que se hacen las operaciones parciales.

(P1 + P2) + P3 = P1 + (P2 + P3) (2.8)

El 1 es un elemento nulo ya que operado con cualquier otro el resultado es 1.

P1 + 1 = 1 (2.9)

El 0 es el elemento neutro ya que operado con una variable la deja invariante.

P1 + 0 = P1 (2.10)

lgebra de Boole 25

Presenta idempotencia dado que al operar una variable consigo se obtiene la misma variable.

P1 + P1 = P1 (2.11)

Cada elemento tiene un elemento simtrico que operado consigo da el elemento nulo.

P1 + P1 = 1 (2.12)

2.4.3 Propiedades distributivas

Las propiedades distributivas son aquellas en que intervienen las dos funciones sobre tres elementos.

Propiedad distributiva de respecto de +

P1 (P2 + P3) = P1 P2 + P1 P3 (2.13)

Propiedad distributiva de + respecto de

P1 + (P2 P3) = (P1 + P2) (P1 + P3) (2.14)

Sistemas de numeracin y representacin 27

3 Sistemas de numeracin y representacin

En la vida cotidiana las personas cuentan segn el sistema decimal, es decir usando 10 cifras (0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9). En vez de este sistema se poda haber usado arbitrariamente cualquier otro peroste fue el adoptado, probablemente porque en la poca en que se hizo se contaba con los dedos delas dos manos.

En el sistema decimal, para expresar un nmero mayor que 9 se ponen dos cifras de lado, la primerade ellas expresa el nmero entero de veces que es necesario contar hasta 10 y la segunda el resto quees necesario aadirle; as podemos contar hasta 99. Para contar hasta ms arriba slo es necesario iraumentando el nmero de cifras.

Por ejemplo el nmero cuarenta y siete mil quinientos ochenta y tres se descompone segn puede verseen la figura 15.

Fig. 15

4 decenas de millar = 4 104 = 4 10000 = 40000

7 unidades de millar = 7 103 = 7 1000 = 7000

5 centenas = 5 102 = 5 100 = 500

8 decenas = 8 101 = 8 10 = 80

3 unidades = 3 100 = 3 1 = 3

47583

As un mismo nmero puede ser representado en cualquier sistema de numeracin que se nos puedaocurrir.

Por ejemplo, si decidimos contar en base 5 (con los dedos de una mano) escribiremos el nmeroanterior como 3010313; vemoslo en la figura 16.


Fig. 16

3 56 = 3 15625 = 46875

0 55 = 0 3125 = 0

1 54 = 1 625 = 625

0 53 = 0 125 = 0

3 52 = 3 25 = 75

1 51 = 1 5 = 5

3 50 = 3 1 = 3

47583

Hasta ahora sabemos convertir un nmero de cualquier base a decimal. Para hacer la conversin ensentido contrario vamos dividiendo el nmero por la base deseada hasta llegar a un cociente de cero;entonces todos los restos obtenidos ledos en orden inverso dan el nmero deseado. As podemosconvertir 47583 a base 5 como se observa en la figura 17.

Fig. 17

47583 : 5 = 9516 3

9516 : 5 = 1903 1

1903 : 5 = 380 3

380 : 5 = 76 0

76 : 5 = 15 1

15 : 5 = 3 0

3 : 5 = 0 3

3010313

3.1 Sistemas binario, octal y hexadecimal

Los ordenadores y los autmatas son equipos electrnicos y, como tales, slo son capaces de almacenardos valores que corresponden a los estados con corriente y sin corriente. Por este motivo estasmquinas trabajan internamente en forma binaria (base 2).


El cdigo binario tiene slo dos valores (0 y 1), lo que hace que un nmero escrito en binario tengamuchas ms cifras que en decimal. Por ejemplo 47583 escrito en binario ser 1011100111011111.

A la hora de trabajar con ordenadores y autmatas no es cmodo trabajar en binario y, por esto, losusuarios pueden trabajar, segn los casos, en octal o hexadecimal.

En el sistema hexadecimal (base 16) disponemos de 16 cifras (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D,E i F). Demonos cuenta de que para evitar confusiones en la escritura a las 6 cifras superiores a 9 seles asigna una letra. Como ejemplo el nmero 47583 se escribira en hexadecimal como B9DF,comprobmoslo en la figura 18.

Fig. 18

B 163 = 11 4096 = 45056

9 162 = 9 256 = 2304

D 161 = 13 16 = 208

F 160 = 15 1 = 15

47583

En el sistema octal (base 8) trabajamos con dgitos entre 0 y 7. El nmero 134737 escrito en octal,valdr 47583 en decimal como se ve en la figura 19.

Fig. 19

1 85 = 1 32768 = 32768

3 84 = 3 4096 = 12288

4 83 = 4 512 = 2048

7 82 = 7 64 = 448

3 81 = 3 8 = 24

7 80 = 7 1 = 7

47583


3.2 Cdigo BCD

A menudo un nmero tiene que ser representado en un display de salida. En este caso es habitualescribir este nmero en cdigo BCD (decimal codificado en binario). Un nmero en cdigo BCDconsta de una sucesin de grupos de cuatro cifras binarias donde cada bloque es la cifra decimalcorrespondiente escrita en binario. As el nmero 47583 se escribe en BCD como se puede ver en lafigura 20.

Fig. 20

0100 0111 0101 1000 0011

4 7 5 8 3

3.3 Bits, bytes, nibbles, etc.

Los ordenadores y autmatas suelen tener la memoria dividida en bloques iguales. Cada celda dememoria puede contener una cifra binaria (pasa corriente o no pasa corriente); es habitual asignar elvalor 1 cuando est activada (pasa corriente) y el 0 cuando no lo est (no pasa corriente). A una cifrabinaria se la llama bit. La agrupacin de 4 bits forma un nibble y la de 8 bits forma un byte (tambinllamado octeto). La agrupacin de bits funcional de un microprocesador se llama palabra; hay sistemascon palabras de 8 bits, otras de 16 bits, etc.

Normalmente la capacidad de memoria de un equipo es una potencia de 2. Por ejemplo: 1024 bytes,16384 bytes, 32768 bytes, 65536 bytes, etc. Para facilitar el contado de la capacidad de memoria (ytambin de otros datos) a menudo se cuenta en kilobytes o en megabytes. En este caso el prefijo kilono indica mil sino la potencia de dos ms prxima, o sea 1024. De la misma manera mega indica1048576. As una memoria de 64 kB tiene 65536 bytes.

3.4 Cdigo ASCII

Muchas veces se desea representar un texto en un display de salida. En este caso es habitual escribireste texto en cdigo ASCII. Un carcter ASCII viene representado por un nmero entre 0 y 127, portanto, en un nmero de 7 bits. Los cdigos ASCII son los de la tabla 5 donde los espacios sombreadoscorresponden a los caracteres de control.


Tabla 5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

10

20

30 ! " # $ % & 40 ( ) * + , - . / 0 150 2 3 4 5 6 7 8 9 : ;

60 < = > ? @ A B C D E

70 F G H I J K L M N O

80 P Q R S T U V W X Y90 Z [ \ ] ^ _ a b c100 d e f g h i j k l m110 n o p q r s t u v w

120 x y z { | }

Dado que habitualmente se trabaja con sistemas hexadecimal u octal se suelen usar 8 bits para designarun carcter, de manera que el bit ms significativo es siempre 0; de esta forma en un octeto cabe uncarcter y en una palabra de 16 bits caben dos.

Evolucin de los automatismos industriales 33

4 Evolucin de los automatismos industriales

Tomemos el caso de la maniobra de un ascensor como ejemplo de automatismo. Las entradas son lospulsadores de las plantas y la cabina, los detectores de posicin de la cabina, los detectores de puertaabierta, el rel trmico, etc. Los elementos de salida son los pilotos de planta actual, ocupado,direccin, etc., el timbre de alarma y el motor.

Para automatizar el proceso podemos usar cualquier sistema que nos permita actuar sobre las salidas.A lo largo de la historia ha habido diversas formas de implantacin de los automatismos industriales(no todas ellas se han usado exhaustivamente en la automatizacin de ascensores).

4.1 La lgica cableada (o electromecnica)

La lgica cableada fue la primera que se us y la de ms gran difusin pues la mayora de losautomatismos se han hecho de esta manera.

Consiste en interconectar rels con los elementos de entrada y salida para que, a base de conexionesen serie y en paralelo de elementos, al final se obtenga el automatismo deseado. Se dispone de diversoselementos: rels de conmutacin, contactores, rels de funciones lgicas, temporizadores, rels decontrol, etc.

Este tipo de automatismo tiene el inconveniente del gran volumen ocupado por el automatismo.Ciertamente, las dimensiones de un rel son importantes y las funciones que permite hacer son pocas(enclavamiento, negacin). Esto hace que se intente reducir al mximo su nmero de manera que losesquemas de conexionado se vuelven difciles de interpretar. Cuando los automatismos se complicanlos esquemas son realizados de forma intuitiva. La modificacin de un automatismo pasa a menudopor desmontar una buena parte y cablearlo de nuevo. Adems, a causa de la presencia de contactosmviles, necesitan un mantenimiento importante.

En caso de automatismos sencillos esta solucin contina teniendo ventajas ya que la lgica cableadaes la nica que no requiere forzosamente un cambio de los niveles de tensin entre el automatismo ylos elementos a controlar.


En cualquier caso las representaciones a base de rels todava son la forma de representar unautomatismo ms familiar del personal de mantenimiento, lo cual hace que los autmatas programablesusen un lenguaje de programacin a base de diagramas de rels.

4.2 La lgica neumtica

Se basa en usar aire comprimido y diversos tipos de elementos: vlvulas distribuidoras, detectores,pulsadores y pilotos neumticos, vlvulas biestables, cilindros neumticos, vlvulas de funcioneslgicas, etc.

Tiene la ventaja de que no se ve afectada por las interferencias electromagnticas pero necesita muchoespacio y crea un ruido importante; adems, es necesario un compresor. La distribucin del airecomprimido es ms compleja que la de la energa elctrica a causa del dimetro de los tubos y delradio mnimo de curvatura. Necesita un mantenimiento importante.

La lgica neumtica resulta interesante cuando se trata de automatismos sencillos que actan sobreaccionamientos neumticos.

En caso de que se requiera una potencia o precisin mayor puede usarse la oleohidrulica.

4.3 La lgica esttica discreta

Poco despus de la aparicin de los transistores se empezaron a usar circuitos electrnicos para realizarlas funciones. Los diseadores montaban circuitos con resistencias, transistores y diodos a fin decontrolar los automatismos. Este mtodo tena el inconveniente de que era preciso un cambio deniveles de tensin entre la potencia y la lgica pero en circuitos complejos significaba una importantereduccin de volumen; adems, el uso de componentes estticos disminua los problemas ya que nohaba ningn contacto mvil que se pudiese desgastar; esto les permita tambin una mayor velocidadde respuesta.

Las puertas lgicas aparecieron para simplificar el montaje ya que se podan conectar directamente lasentradas de una a la salida de otra sin tomar ningn tipo de precaucin. Inicialmente no eran ms quecajas de plstico con un cierto nmero de patas que contenan un circuito impreso con resistencias,diodos y transistores.

4.4 La lgica esttica integrada

Con la aparicin de los circuitos integrados las antiguas puertas con circuitos compactos sesubstituyeron por circuitos integrados con una mayor reduccin de volumen. Con el tiempo la mayorparte de la lgica se redujo a dos familias: la TTL (a 5 volts) y la CMOS (habitualmente a 12 volts).

Evolucin de los automatismos industriales 35

Se pueden encontrar circuitos integrados con las principales funciones: puertas lgicas, biestables,temporizadores, contadores, selectores, decodificadores, etc. Con la ventaja de que el volumen ocupadopor el automatismo es menor que en todos los casos anteriores.

Presenta dos inconvenientes importantes, por un lado la necesidad de un cambio de niveles de tensiny por otro la imposibilidad de modificacin; si es necesario hacer un cambio en el automatismo hayque tirar el circuito impreso y hacer uno nuevo.

4.5 La lgica esttica programada

La lgica esttica permite compactificar mucho los circuitos pero tiene el inconveniente, como yahemos visto, de la gran dificultad de modificacin.

Para solucionar los problemas de la lgica esttica (y de la lgica cableada) se usan los sistemasbasados en microprocesador que permiten una mayor reduccin del circuito electrnico y que seaprogramable; de esta forma la modificacin de las relaciones lgicas es relativamente sencilla.

Contina presentando el inconveniente de la dificultad de modificacin dado que aadir una entradao una salida adicional implicar confeccionar un nuevo circuito impreso.

4.6 El ordenador de proceso

Como mejora de los sistemas basados en microprocesador aparece el ordenador de proceso, parecidoal ordenador de gestin pero preparado para funcionar en ambiente industrial y equipado con entradasy salidas. Presenta la ventaja adicional de estar capacitado para realizar clculos complejos.

Tiene un inconveniente importante derivado del hecho de necesitar personal informtico pero conconocimientos de automatizacin industrial y del proceso que se quiere automatizar para suprogramacin.

4.7 El autmata programable industrial

Ante esta problemtica aparecieron los autmatas programables (o PLC, Programable Logic Controller,controlador programable por lgica). Inicialmente se concibieron como circuitos electrnicos basadosen un microprocesador que tenan que funcionar como una lgica esttica pero de manera que lasfunciones a realizar fuesen programadas y, por tanto, fcilmente modificables.

A fin de que la programacin y el mantenimiento fuesen posibles sin una formacin informtica delpersonal, la inmensa mayora de los equipos permitan una programacin a base de reproducir undiagrama de rels.

Definicin y arquitectura del autmata programable industrial 37

5 Definicin y arquitectura del autmata programable industrial

5.1 Definicin histrica

Un autmata programable industrial es una mquina electrnica, histricamente programable porpersonal no informtico, preparada para realizar, en ambiente industrial, automatismos combinatoriosy secuenciales en tiempo real.

Se trata, pues, de un ordenador pensado, tanto en los aspectos de software como de hardware, parala automatizacin industrial.

Actualmente, dada la evolucin de estos equipos, a pesar de que pueden ser programados por personalno informtico es conveniente que el personal que tiene que hacerlo tenga unos ciertos conocimientosde informtica.

5.2 Arquitectura

Un autmata programable consta (figura 21) de tres partes fundamentales: Unidad de memoria, unidadde control y elementos de entrada y salida.

5.2.1 Unidad de memoria

La memoria de un autmata programable sirve para almacenar el programa y los datos del proceso.En muchos autmatas el usuario puede trabajar con la configuracin de memoria base o puede aadirms memoria (hasta un cierto lmite) en funcin de sus necesidades.

Dentro de la memoria de datos tenemos una parte fija que es la tabla de imgenes de entradas ysalidas; cuya medida viene ya definida mientras que el resto de la memoria de datos puede ser variableen funcin de las necesidades de cada programa.


Fig. 21

Los autmatas pueden tener una asignacin de memoria fija es decir que la parte destinada a programay la parte destinada a datos (incluso el nmero de temporizadores, contadores, etc.) viene fijada defbrica o con asignacin dinmica de la memoria de forma que a medida que se va haciendo elprograma se asigna a cada necesidad la parte requerida.

La memoria de programa tiene una parte fija: el sistema operativo. Esta parte viene programada defbrica y es la que se encarga de la lectura de entradas/salidas, efectuar el scan de programa, gestionarlos posibles errores de funcionamiento, etc.

Tipos de memorias

Hay dos tipos bsicos de memoria: voltiles y no voltiles. Las memorias voltiles se pueden leer,escribir y borrar fcilmente por el propio programa. Tienen el inconveniente de que pierden lainformacin grabada cuando se desconecta la alimentacin. Se llaman memorias RAM Random AccessMemory (Memoria de acceso aleatorio).

En muchos casos se pone una pequea batera o un condensador que alimenta exclusivamente lamemoria RAM cuando falla la alimentacin. Segn los fabricantes, el programa y los datos puedenmantenerse horas, das o aos.


Las memorias no voltiles pueden ser ledas a voluntad pero difieren en la forma en que se puedenescribir. Todas ellas mantienen la informacin aunque se pierda la alimentacin elctrica. Acontinuacin hay una clasificacin de algunos tipos.

ROM Read Only Memory (Memoria de slo lectura). Es una memoria que se programa enel momento de fabricacin y que puede ser leda pero no escrita ni borrada.

PROM Programable ROM (ROM programable). Es una memoria que se puede programarelctricamente en cualquier momento pero no se puede borrar (slo se puede programar unavez).

EPROM Erasable PROM (PROM borrable). Se puede programar elctricamente y borrar(todo el contenido de golpe) exponindola a una luz UV un nmero muy elevado de veces.

EEPROM Electrically Erasable PROM (PROM borrable eltricamente). Se programa y seborra (todo el contenido de una vez) elctricamente.

EAROM Electrically Alterable ROM (ROM alterable elctricamente). Se comporta como unamemoria RAM pero los datos no se pierden al cortar la alimentacin. Es la nica memoriano voltil en que se puede modificar una parte del contenido sin borrarla completamente.

5.2.2 Unidad de control

La unidad de control, tambin llamada CPU Central Processing Unit (unidad central de proceso) esla parte inteligente del autmata. Su funcin es ejecutar las instrucciones del programa. Tambin seencarga de las comunicaciones con los equipos de programacin y de la gestin de los estados deerror.

Su elemento base es el microprocesador. La capacidad de clculo y la velocidad de procesamientodependen del nmero y tipo de procesadores que tenga. La mayor parte de los autmatas tienen unaCPU con un solo procesador pero cada vez hay ms que tienen las funciones descentralizadas entrediversos procesadores a menudo diferentes.

La ejecucin del programa sigue un ciclo llamado scan que consiste en:

1. Lee las entradas y guarda sus estados en la tabla de imgenes de entrada.

2. Hace una ejecucin del programa cogiendo los datos necesarios de la tabla de entradas, loscontadores, los temporizadores, etc. y dejando lo que convenga en la tabla de salidas,contadores, etc.


3. Copia la tabla de imgenes de salida sobre las salidas.

4. Vuelve a empezar el ciclo leyendo las entradas.

El uso de las tablas de entradas y salidas es muy importante. Si las entradas se leyeran cada vez quese necesitan y las salidas se escribieran tambin cada vez, resultara que una misma entrada que se usams de una vez dentro de un scan de programa tendra estados diferentes con lo que el automatismono funciona correctamente.

El programa se va repitiendo en forma cclica ya que las modificaciones que vayan apareciendo en lasentradas tienen que ir modificando los estados de los rels internos y las salidas.

5.2.3 Elementos de entrada y salida

Los elementos de entrada y salida son los que permiten comunicar el autmata con el proceso que estcontrolando y con el operador. Mediante los elementos de entrada el autmata se entera del estado enque se encuentra el proceso (posiciones, velocidades, niveles, temperaturas, elementos activados,elementos desactivados, etc.) a partir de los captadores que el diseador ha situado para las seales queinteresan. Los elementos de salida permiten que el PLC acte sobre el proceso (electrovlvulas,motores, pilotos, etc.).

Elementos de entrada

Las entradas digitales son del tipo s/no, es decir reciben seales de tipo cualitativo pero nocuantitativo. Por ejemplo un termostato da una seal digital (temperatura mayor o menor que 22C).Las entradas digitales se corresponden con un bit en la tabla de imgenes de entrada.

Las entradas de un autmata se clasifican segn el tipo y la polaridad de conexin. Pueden ser decorriente alterna, de corriente continua con comn positivo (tipo sink) y de corriente continua concomn negativo (tipo source).

Los principales elementos que se conectan en este tipo de entrada son:

a) Final de carrera. Es un elemento que detecta un objeto por contacto fsico con el mismo.

b) Detectores de proximidad magnticos. Se coloca un rel Reed cerca del lugar donde tiene quepasar la pieza a detectar, a la que se le ha adosado un imn permanente. Cuando el imn pasecerca del rel provocar el accionamiento del mismo.


c) Detectores de proximidad inductivos. Constan de un circuito electrnico oscilante basado enuna inductancia que deja de oscilar cuando sta se encuentra en las proximidades de una piezametlica.

d) Detectores de proximidad capacitivos. Constan de un circuito electrnico oscilante basado enun condensador que no oscila en condiciones normales pero s cuando un objeto no metlicopasa cerca suyo. A pesar de la descripcin, si se ajustan convenientemente, tambin puedendetectar objetos metlicos.

e) Detectores de proximidad fotoelctricos de reflexin. Hay un elemento que emite un haz deluz y lo tiene que volver a recibir. El objeto a detectar tiene que reflectar el haz sobre eldetector.

f) Detectores de proximidad fotoelctricos de interposicin. Hay un elemento que emite un hazde luz y otro que lo tiene que recibir. El objeto a detectar tiene que interponerse entre elemisor y el receptor. Se llaman reflex aquellos en que el emisor y el detector estn juntos yel haz de luz se refleja en un reflector catadiptrico; en este caso si hay posibilidades de queel objeto a detectar refleje el rayo de luz es necesario usar haces polarizados dado que losreflectores catadiptricos giran el plano de la luz.

Conviene distinguir entre aquellos captadores o detectores que necesitan una alimentacin exterior parafuncionar (detectores de tres hilos) y los que no necesitan (detectores de dos hilos). Entre los detectoresde dos hilos distinguimos aquellos que se basan en un sencillo contacto elctrico y los que llevancircuitera electrnica.

Entre los detectores electrnicos de dos hilos podemos distinguir entre los no polarizados (figura 22)que, con el mismo principio, pueden funcionar en corriente continua o en corriente alterna (y algunosindistintamente en corriente continua y corriente alterna) y los polarizados (figura 23) que slo puedenfuncionar en corriente continua y vigilando la polaridad de conexin.

Fig. 22


Fig. 23

Los captadores de dos hilos tienen la ventaja de que un mismo tipo de captador se puede usar conautmatas diferentes. Es necesario vigilar que la corriente residual (en estado abierto) que necesitanpara funcionar no pueda activar la entrada del autmata.

Los captadores de tres hilos no tienen corrientes residuales pero necesitan alimentacin externa. Haydos tipos segn la lgica del autmata donde se tienen que conectar. Los captadores de tipo NPN(figura 24) se usan en autmatas con el negativo como comn de entrada (tipo source) y los de tipoPNP (figura 25) se usan en autmatas con el positivo como comn de entrada (tipo sink).

Fig. 24

Tambin hay posibilidades de entradas digitales codificadas como pueden ser teclados, preselectoresdigitales, encoders, etc. Estos elementos convierten seales de tipo numrico en un conjunto de bitsen codificacin hexadecimal, BCD, etc.

Las entradas analgicas son capaces de aceptar seales de tensin o corriente entre dos valores(0..10 V, -10..10 V, 4..20 mA, 0..20 mA) y asociarles un nmero de 8, 10, etc. bits que indique elvalor ledo. Se usan para la medida de temperaturas, presiones, caudales, tensiones, corrientes, pares,etc.


Fig. 25

Conviene usar hilo trenzado y apantallado para las entradas analgicas y corto circuitar aquellasentradas por tensin que no se tengan que usar. Habitualmente la pantalla suele conectarse a tierra enel lado del autmata (figura 26) y al negativo en el extremo donde est el captador. En algunos casosse conecta a tierra y al negativo en el extremo correspondiente al captador (figura 27) pero es necesariovigilar que la tensin que puede haber entre los dos negativos que entran en el autmata no supere ellmite admisible (habitualmente de pocos volts).

Fig. 26

Fig. 27


Elementos de salida

Las salidas digitales tambin son de tipo s/no. En el caso de salidas en corriente continua pueden serpor transistor o por rel mientras que si la salida es en corriente alterna puede ser por triac o por rel.

En las salidas por transistor, ste entra en conduccin cuando la salida se activa. Son apropiadas paraaccionar elementos de pequea potencia en corriente continua (electrovlvulas, contactores, pilotos,etc.). Pueden ser con el negativo comn (tipo source) o con el positivo comn (tipo sink).

En las salidas por triac, ste entra en conduccin cuando la salida se activa. Cuando la salida sedesactiva el triac continuar conduciendo hasta el primer paso por cero de la corriente. Por este motivolas salidas por triac no funcionan en corriente continua.

Las salidas por rel son las ms verstiles ya que el usuario dispone de un contacto de rel libre detensin (aislado de cualquier otro circuito) de manera que cada salida puede accionar elementosdiferentes a tensiones diferentes. Tienen el inconveniente de que la velocidad de respuesta es pequea,por tanto, no pueden usarse en aplicaciones que requieren cambios rpidos en las salidas.

Tambin hay elementos de salida codificada como displays de 7 segmentos, displays alfanumricosy displays de mensajes.

Fig. 28

Las salidas analgicas pueden dar seales de tensin o de corriente variables (0..10 V, -10..10 V, 4..20mA, 0..20 mA) que permiten accionar vlvulas proporcionales, dar consignas a variadores de velocidadpara motores, etc. Conviene usar hilo trenzado y apantallado para las salidas analgicas. La pantallasuele conectarse a tierra en el lado del autmata (figura 28) y al negativo en el extremo donde est elpreaccionador dado que el negativo de las diferentes salidas del mismo autmata suele ser comn.


5.2.4 Buses de comunicacin

Son el medio fsico a travs del cual el procesador se comunica con el resto de elementos del sistema(entradas y salidas, memoria, perifricos). Hay normalmente tres buses: Direcciones, datos y control.Cada uno de ellos est formado por un conjunto de cables, o mejor dicho un conjunto de pistas decircuito impreso. Cada uno de los elementos conectados al bus tiene una direccin.

El bus de direcciones es por donde el procesador enva la direccin del elemento al que quiere enviaro que quiere que le enve informacin. Esta direccin llegar a todos los elementos pero slo tiene quehaber un elemento que se identifique.

El bus de datos es por donde todos los elementos enviarn los datos. En una escritura, el procesadorpondr los datos que quiere que lea el elemento sealado con el bus de direcciones. En el caso de unalectura, el procesador leer los datos que haya puesto el elemento sealado. El bus de datos es, portanto, bidireccional.

El bus de control es aquel mediante el cual el procesador explica qu operacin se est efectuando.Las operaciones ms corrientes son leer y escribir.

5.3 Sistema operativo

El sistema operativo se encarga de ejecutar las funciones del autmata, tanto si son en tiempo realcomo si no. En programas sencillos se ejecutan todas las funciones dentro de un solo ciclo. Enprogramas ms complejos nos podemos encontrar que el tiempo de ejecucin sea inaceptable. En estoscasos a menudo se hace un fraccionamiento del programa en mdulos (subrutinas) de manera que notodos los mdulos se ejecutan en todos los ciclos.

Se encuentran tambin casos en los que se ejecuta una parte de cada mdulo en cada ciclo deprograma. Este mtodo tiene serios problemas de interpretacin de programas y depuracin ycorreccin de errores de los mismos. Algunos autmatas incorporan ya subrutinas de interrupcin portiempo que permiten ejecutar algunas partes de programa cada un cierto tiempo.

Configuracin y programacin 47

6 Configuracin y programacin

6.1 Configuracin del mapa de memoria

Configurar el mapa de memoria quiere decir indicar, antes de empezar la programacin, qu parte dela memoria se reserva para cada cosa. Es necesario definir las direcciones donde se encontrarn la tablade imgenes de entrada, la tabla de imgenes de salida, los rels internos, los registros de control, lasvariables enteras, las variables reales (coma flotante), los datos de contadores, los datos detemporizadores, etc. No todos los autmatas tienen todos estos tipos de registros, otros tienen ms.

Los rels internos son direcciones binarias que se usan como rels que no afectan a las salidas pararealizar automatismos.

En algunos autmatas el mapa de memoria es fijo. En otros es necesario configurarlo antes deprogramar o se autoconfigura automticamente a medida que se va programando.

6.2 Lenguajes y sistemas de programacin

El tcnico que prepara un automatismo debe disear primero la lgica que ste tiene que seguir y, unavez acabado el diseo, tiene que explicarlo al autmata a fin de que ste pueda entenderlo y llevarloa la prctica.

El mtodo que use para crear el automatismo no tiene ninguna importancia mientras despus sea capazde traducirlo a alguna forma inteligible para el autmata.

Los mtodos de entrar el automatismo al autmata (lenguajes de programacin) son diversos. Acontinuacin describimos los ms corrientes. En todos los casos pondremos como ejemplo el mismoautomatismo (que en lgica cableada podramos definir con el circuito de la figura 29) que correspondeal control de una puerta automatizada para un edificio. En este ejemplo K1 ser el contactor que haceabrir la puerta y K2 el que la hace cerrar. P ser el detector situado debajo la alfombra y FdCO yFdCT son respectivamente los finales de carrera de abrir y de cerrar.


Fig. 29

6.2.1 Diagrama de contactos

Tambin conocido como diagrama de rels, es la forma ms corriente de programar un autmata. Setrata de hacer un esquema como si se tuviese que hacer un automatismo con rels y esto se entragrficamente en el software del autmata. Este lenguaje tiene la ventaja de que los tcnicos demantenimiento estn acostumbrados a dibujar circuitos lgicos con rels. En la mayor parte de losautmatas el circuito se dibuja segn el mtodo americano en que los smbolos son diferentes y laslneas lgicas van horizontales con las salidas a la derecha, tal como se ve en la figura 30.

Fig. 30

6.2.2. Puertas lgicas

Consiste en hacer un esquema como si se tuviese que hacer un automatismo electrnico. Este mtodotiene la ventaja de ser sencillo para aquellos que han trabajado antes con puertas lgicas.


Fig. 31

6.2.3 Diagrama funcional

Consiste en hacer un circuito similar al de las puertas lgicas pero con bloques funcionales. Lossmbolos que se usan habitualmente en los bloques funcionales son:

& Funcin y (AND)1 Funcin o (OR)=1 Funcin o-exclusiva (EXOR)= Funcin igual

Fig. 32

6.2.4 Diagrama de flujo

Es un mtodo parecido a los rboles de decisin que se usan tambin en algortmica.


Fig. 33

Consta de cajas en forma de rombo y de rectngulo. Los rombos son preguntas con respuesta s o noy los rectngulos son acciones.

6.2.5. GRAFCET

Fig. 34


El GRAFCET (Graphe de commande etape-transition, grafo de pedido con etapas y transiciones) esun mtodo similar a los rboles de decisin en que puede haber etapas simultneas (en paralelo). Antesde cada etapa hay una transicin (figura 34).

En el GRAFCET las etapas se representan con cuadrados, que son en lnea doble si se trata de etapasiniciales. Las acciones a realizar en cada etapa se representan con rectngulos que salen lateralmentede las etapas.

Las lneas simples son los caminos segn los cuales evoluciona el automatismo y las dobles indicanque los caminos se bifurcan para dar lugar a etapas en paralelo (simultneas).

Una rayita horizontal que cruza la lnea simple representa una transicin. No se puede franquear latransicin hasta que no se ha cumplido la condicin que se especifica en l.

6.2.6. Lenguaje booleano

Consiste en escribir directamente las ecuaciones booleanas que representan el automatismo. En elejemplo que venimos representando sera el de la figura 35.

Fig. 35

6.2.7. Lista de instrucciones

Se trata de describir las ecuaciones booleanas con una lista de instrucciones de un solo operando. Cadaautmata tiene su forma particular de hacerlo. Una podra ser la de la figura 36.

Fig. 36

LOAD K1OR PAND NOT FdCOOUT K1LOAD NOT PAND NOT FdCTAND NOT K1OUT K2


6.2.8 Lenguajes de alto nivel

Hay autmatas que admiten programacin con lenguajes como BASIC o PASCAL con la ventaja deque los lenguajes son muy parecidos a los que se usan en la programacin de ordenadores. En algunosautmatas el lenguaje es interpretado (no compilado) lo cual da lugar a tiempos lentos de ejecucin.Un ejemplo en lenguaje BASIC podra ser el de la figura 37.

Fig. 37

10 IF ((P OR K1) AND (NOT FdCO) AND (NOT K2)) THEN SET K1 ELSE RES K1

20 IF ((NOT P) AND (NOT FdCT) AND (NOT K1)) THEN SET K2 ELSE RES K2

c2: los autores, 1998; Edicions UPC, 1998.

linea:

f: c: los autores, 1998; Edicions UPC, 1998. Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del "copyright", bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico, y la distribucin de ejemplares de ella mediante alquiler o prstamo pblicos, as como la exportacin e importacin de ejemplares para su distribucin y venta fuera del mbito de la Unin Europea.

Documents

Capítulos 1, 2, 3, 4, 5 y 6