UNIDAD 6 AUTOMATA PROGRAMABLE (PLC)UNIDAD 6 AUTOMATA PROGRAMABLE (PLC)

6.1 DEFINICION Y ESTRUCTURA BASICA

PLC son las iniciales de Programmable Logic Controller, que traducido resulta Controlador Lgico Programable. Tambin se usa para nombrar a estos dispositivos el trmino Autmatas Programables. A lo largo de este curso usaremos indistintamente cualquiera de ellos.

Cualquier modificacin en los procesos en una planta, significa re-cablear, agregar rels,

temporizadores, etc. en los tableros de mando y control. Esto implica largas paradas de mquinas y a menudo los tableros quedan chicos para absorber los cambios. Tambin es por ustedes conocido que las modificaciones provisorias no siempre se vuelcan en los planos elctricos, con lo cul se dificulta el mantenimiento y por lo tanto aumenta el tiempo de parada de las mquinas.

A fines de la dcada del 60, consciente de estos problemas, la General Motor le encarga a sus proveedores de controladores el diseo de equipos que cumplieran las siguientes especificaciones:

Flexibles: Los aparatos deban ser capaces de adaptarse a una gran variedad de situaciones, incluso reutilizarse para otras mquinas. Esta flexibilidad pretenda ser lograda mediante la programacin.

Estado Slido: Los nuevos equipos deban estar realizados usando componentes electrnicos.

Ambiente: Deban poder soportar los ambientes industriales.

Sencillos: Tanto la programacin, como el mantenimiento y la instalacin deban estar a cargo del propio personal de la industria, ingenieros y tcnicos, normalmente en esa poca sin conocimientos informticos

Lgicos: Las funciones que deban gobernar eran del tipo on/off (todo/nada).

Para poder interpretar luego el funcionamiento de un PLC presentamos la Figura 1, donde se muestra un esquema de su estructura interna.

Podemos distinguir cinco bloques en la estructura interna de los Autmatas

Programables, que pasaremos a describirlos:

Bloque de Entradas. En l se reciben las seales que proceden de los sensores.

Estas son adaptadas y codificadas de forma tal que sean comprendidas por la CPU.

Tambin tiene como misin proteger los circuitos electrnicos internos del PLC, realizando una separacin elctrica entre stos y los sensores.

Bloque de Salidas: Trabaja de forma inversa al anterior. Interpreta las rdenes de la

CPU, las descodifica y las amplifica para enviarlas a los actuadores.

Tambin tiene una interface para aislar la salida de los circuitos internos.

Unidad Central de Procesamiento CPU): En ella reside la inteligencia del sistema. En funcin de las instrucciones del usuario (programa) y los valores de las entradas, activa las salidas.

Fuente de Alimentacin: Su misin es adaptar la tensin de red (220V/50Hz) a los valores necesarios para los dispositivos electrnicos internos (generalmente 24Vcc y

5Vcc).

Interfaces: Son los canales de comunicacin con el exterior. Por ejemplo con:

los equipos de programacin

otros autmatas.

computadoras.

etc..

6.2 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Con la llegada de los autmatas programables, los llamados PLC, la industria sufri un impulso importante, que ha facilitado de forma notable que los procesos de produccin o control se hayan flexibilizado mucho. Encontramos PLC en la industria, pero tambin en nuestras casas, en los centros comerciales, hospitalarios, etc. Tambin en nuestras escuelas de formacin profesional encontramos frecuentemente autmatas programables. PLC son las siglas en ingls de Controlador Lgico Programable (Programmable Logic Controller). Cuando se inventaron, comenzaron llamndose PC (Controlador programable), pero con la llegada de los ordenadores personales de IBM, cambi su nombre a PLC (No hay nada que una buena campaa de marketing no pueda conseguir). En Europa les llamamos autmatas programables. Sin embargo, la definicin ms apropiada sera: Sistema Industrial de Control Automtico que trabaja bajo una secuencia almacenada en memoria, de instrucciones lgica

Un PLC realiza, entre otras, las siguientes funciones:Recoger datos de las fuentes de entrada a travs de las fuentes digitales y analgicas.Tomar decisiones en base a criterios preprogramados.Almacenar datos en la memoria.Generar ciclos de tiempo.Realizar clculos matemticos.Actuar sobre los dispositivos externos mediante las salidas analgicas y digitales.Comunicarse con otros sistemas externos.

Los PLC se distinguen de otros controladores automticos, en que pueden ser programados para controlar cualquier tipo de mquina, a diferencia de otros controladores (como por ejemplo un programador o control de la llama de una caldera) que, solamente, pueden controlar un tipo especfico de aparato.

Adems de poder ser programados, son automticos, es decir son aparatos que comparan las seales emitidas por la mquina controlada y toman decisiones en base a las instrucciones programadas, para mantener estable la operacin de dicha mquina.

Puedes modificar las instrucciones almacenadas en memoria, adems de monitorizarlas.

6.3 TIPOS DE PLC (COMPACTOS Y MODULARES)

La idea de esta seccin es mostrar el amplio espectro de los PLC que actualmente existen en el mercado, para ayudar al usuario a decidir en el momento de realizar una compra.

Con este objetivo, vamos a realizar varias clasificaciones de los Autmatas Programables, teniendo en cuenta sus distintas caractersticas.

Estructura externa. Se refiere al aspecto fsico exterior del PLC. Actualmente en el

mercado existen dos tendencias:

Diseo compacto: En un solo bloque residen todos sus elementos (fuente, CPU, entradas/salidas, interfaces, etc.). Tienen la ventaja de ser generalmente ms baratos y su principal desventaja es que no siempre es posible ampliarlos.

Diseo modular: Los distintos elementos se presentan en mdulos con grandes posibilidades de configuracin de acuerdo a las necesidades del usuario. Una estructura muy popular es tener en un bloque la CPU, la memoria, las interfaces y la fuente. En bloques separados las unidades de entrada/salida que pueden ser ampliadas segn necesidades.

Memorias. Llamamos memoria a cualquier dispositivo que nos permita guardar las instrucciones escritas por el programador. Su capacidad de almacenamiento se mide en Kbyte o en Mbyte y est relacionada con el tamao mximo de programa que podemos escribir.

En la mayora de los casos estn diseadas con elementos electrnicos. Se distinguen varios tipos:

PROM (Programmable Read Only Memory). Memorias para ser ledas nicamente. Permiten ser programadas una sola vez. Normalmente se usan para automatismos de equipos fabricados en serie. Ante una falta de energa mantienen su contenido.

EPROM (Erasable Prog..). Son iguales a las anteriores, pero est permitido borrar su contenido para reprogramarlas. El borrado se realiza por la aplicacin de luz ultravioleta, a travs de una ventanilla de cuarzo en su encapsulado.

EEPROM (Electrical Eraseble..). Iguales a las anteriores pero el borrado se realiza por la aplicacin de seales elctricas.

RAM (Random Access Memory). O memorias de acceso aleatorio. Est permitido escribirlas y borrarlas elctricamente. Su lectura y escritura son muy veloces. Ante una falta de energa su contenido se pierde, por lo que deben usarse alimentadas con pilas de Litio (duracin de la pila ms o menos 5 aos).

Estas dos ltimas son las ms usadas en la actualidad.

Unidades de Entrada. Son los dispositivos bsicos por donde llega la informacin de los sensores. Vienen con distintas posibilidades.

Analgicas. Se deben usar cuando la entrada corresponde a una medida de por ejemplo: temperatura, presin, etc. En su interior tienen un dispositivo que convierte la seal analgica a digital (conversor A/D). Vienen en distintos rangos de tensin e intensidad. (por ejemplo 0 a 10V, 0 a +- 10V, 4 a 20 mA, etc.). La resolucin puede ser de 8 o 12 bits.

Digitales. Son las ms utilizadas y corresponde a seales todo/nada. O

sea la presencia o no de una tensin (por ejemplo de fines de carrera,

termostatos, pulsadores, etc.). Esta tensin puede ser alterna ( 0-220V, 0-

110V) o continua (generalmente 0-24V).

Unidades de Salida. Son los bloques bsicos que excitarn los actuadores. Al igual que las entradas pueden ser analgicas o digitales.

Analgicas. Se deben usar cuando el actuador que se debe activar es analgico (por ejemplo una vlvula modulante, un variador de velocidad, etc.). En este caso se dispone de un dispositivo interno que realiza el proceso inverso al de las entradas analgicas, un conversor D/A.

Digitales. Vienen de tres tipos. Con salida a triac, a rel o a transistor. En el primer caso es exclusivamente para corriente alterna. En el segundo puede ser para continua o alterna. En el caso de salida a transistor es exclusivamente para continua. Soportan en todos los casos corrientes entre

0,5 y 2 A.

Lenguajes de Programacin. Son las reglas por las cules se le escribe el programa al PLC. Es ms bien una caracterstica del dispositivo programador. Existen diferentes lenguajes que el usuario puede elegir de acuerdo a su gusto o experiencia.

Listado de instrucciones. Como su nombre lo indica se trata de introducir una lista de instrucciones que debe cumplir el autmata.

Con smbolos lgicos. La programacin se realiza usando smbolos similares a los que vimos para las compuertas lgicas.

Con smbolos de contactos. Es el ms popular y la programacin se lleva a cabo usando redes de contactos (ladder).

Equipos o unidades de programacin. Son los dispositivos que nos permitirn entrar el programa. Son tres los tipos que se disponen.

Tipo calculadora. Constan de un teclado y un visor (como si fuera una calculadora). En el visor se puede ver una o dos lneas del programa. Son muy tiles para realizar modificaciones o ajustes a la par de la mquina.

Consola. Son un tipo intermedio entra los anteriores y las PC. Permite ver hasta 20 o 30 lneas de programa

PC. Normalmente cualquier computadora PC, con el soft correspondiente y la interfaz adecuada permite la programacin de los PLC. Su utilidad es mayor cuando se trabaja con grandes autmatas programndolos en las oficinas de programacin.

Tamao de los PLC. El tamao se lo determina generalmente por la cantidad deentradas y salidas disponibles. Pudiendo variar entre 10 E/S hasta varios miles. Lasdenominaciones son: nanoautmatas, microautmatas, etc..

6.4 LENGUAJES DE PROGRAMACION

Se puede definir un programa como un conjunto de instrucciones, rdenes y smbolos reconocibles por el PLC, a travs de su unidad de programacin, que le permiten ejecutar una secuencia de control deseada. El Lenguaje de Programacin en cambio, permite al usuario ingresar un programa de control en la memoria del PLC, usando una sintaxis establecida.

Al igual como los PLCs se han desarrollado y expandido, los lenguajes de programacin tambin se han desarrollado con ellos. Los lenguajes de hoy en da tienen nuevas y ms verstiles instrucciones y con mayor poder de computacin. Por ejemplo, los PLCs pueden transferir bloques de datos de una localizacin de memoria a otra, mientras al mismo tiempo llevan cabo operaciones lgicas y matemticas en otro bloque. Como resultado de estas nuevas y expandidas instrucciones, los programas de control pueden ahora manejar datos ms fcilmente.

Adicionalmente a las nuevas instrucciones de programacin, el desarrollo de nuevos mdulos de entradas y salidas tambin ha obligado a cambiar las instrucciones existentes.

En la actualidad cada fabricante disea su propio software de programacin, lo que significa que existe una gran variedad comparable con la cantidad de PLCs que hay en el mercado. No obstante, actualmente existen tres tipos de lenguajes de programacin de PLCs como los ms difundidos a nivel mundial; estos son:

- Lenguaje de contactos o Ladder

- Lenguaje Booleano (Lista de instrucciones)

- Diagrama de funciones

Es obvio, que la gran diversidad de lenguajes de programacin da lugar a que cada fabricante tenga su propia representacin, originando cierta incomodidad al usuario cuando programa ms de un PLC.

LENGUAJE LADDER

El LADDER, tambin denominado lenguaje de contactos o de escalera, es un lenguaje de programacin grfico muy popular dentro de los Controladores Lgicos Programables (PLC), debido a que est basado en los esquemas elctricos de control clsicos. De este modo, con los conocimientos que todo tcnico elctrico posee, es muy fcil adaptarse a la programacin en este tipo de lenguaje. Su principal ventaja es que los smbolos bsicos estn normalizados segn normas NEMA y son empleados por todos los fabricantes.

Elementos de programacin

Para programar un PLC con LADDER, adems de estar familiarizado con las reglas de los circuitos de conmutacin, es necesario conocer cada uno de los elementos de que consta este lenguaje.

LENGUAJE BOOLEANO (Lista de Instrucciones)

El lenguaje Booleano utiliza la sintaxis del lgebra de Boole para ingresar y explicar la lgica de control. Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemnicos, haciendo uso de operadores Booleanos (AND, OR, NOT, etc.) y otras instrucciones nemnicas, para implementar el circuito de control. El lenguaje Lista de Instrucciones (IL) de la Norma IEC 1131-3, es una forma de lenguaje Booleano.

Ejemplo de programacin Booleana:

A I 2.3

A I 4.1

O I 3.2

= Q 1.6

LENGUAJE DE TEXTO ESTRUCTURADO (ST)

Texto estructurado (ST) es un lenguaje de alto nivel que permite la programacin estructurada, lo que significa que muchas tareas complejas pueden ser divididas en unidades ms pequeas. ST se parece mucho a los lenguajes de computadoras BASIC o PASCAL, que usa subrutinas para llevar a cabo diferentes partes de las funciones de control y paso de parmetros y valores entre las diferentes secciones del programa.

Al igual que LD, FBD e IL, el lenguaje de texto estructurado utiliza la definicin de variables para identificar entradas y salidas de dispositivos de campo y cualquier otra variable creada internamente.

Incluye estructuras de clculo repetitivo y condicional, tales como: FOR ... TO; REPEAT..... UNTIL X; WHILE X... ; IF ... THEN ...ELSE. Adems soporta operaciones Booleanas (AND, OR, etc.) y una variedad de datos especficos, tales como fecha, hora.

La programacin en Texto Estructurado es apropiada para aplicaciones que involucran manipulacin de datos, ordenamiento computacional y aplicaciones matemticas que utilizan valores de punto flotante. ST es el mejor lenguaje para la implementacin de aplicaciones de inteligencia artificial, lgica difusa, toma de decisiones, etc.

Ejemplo:

IF Manual AND Alarm THEN

Level = Manual_Level;

Mixer = Start AND NOT Reset

ELSE IF Other_Mode THEN

Level = Max_level;

ELSE Level = (Level_Indic X100)/Scale;

END IF;

6.5 INTRUCCIONES TIPO RELEVADOR,TEMPORIZADORES Y CONTADORES

La utilizacin de memorias es equivalente a la utilizacin de relevadores en circuitos de control electromagntico. Cuando se emplea relevadores de circuitos tradicionales se buscan dos objetos:

[1.].- Ampliar las capacidades de conexin de un dispositivo. Que podra ser un contactor, agregndole contactos auxiliares.

[2.].- Memorizar una determinada operacin en una fase del proceso.

Resulta evidente que un PLC, la primera capacidad no es necesaria, pues posee por software. Sin embargo si es posible la segunda.

La organizacin de los mencionados rels auxiliares en los PLC est en forma de Bit y Byte en un lugar de la memoria total.

El uso de estas memorias deben ser restringido, por su importancia en el PLC.

NOTA: Nunca utilizar el mismo relevador en un programa para PLC.

Temporizadores.

La funcin temporizador permite mandar, con un retardo de tiempo, acciones especficas. El valor de este retardo se obtiene por combinacin del valor de preseleccin (Preset) y la base de tiempo (Time Base).

El temporizador posee dos entradas (E/C) y dos salidas.

La entrada E activa o desactiva el temporizador, cuando est el cero lgico lo resetea.

La entrada C tambin activa y desactiva el temporizador, pero el mando est en cero nicamente detiene el tiempo, no lo modifica.

Para que el temporizador est funcionando ambas entradas deben estar en uno lgico.

La salida D se prende cuando finaliza el tiempo determinado.

La salida R se prende como indicador de que el temporizador esta activo.

A modo de unidad bsica (TIB) se define o selecciona un determinado tiempo para las secuencias de los pasos:

Un milisegundo

Una centsima de segundo

Una dcima de segundo

Un segundo

Un minuto

El temporizador est compuesto de los siguientes elementos.

1].- Valor nominal

2].- Valor efectivo

3].- Estado

Valor nominal.- Indica el tiempo que debera transcurrir en funcin del programa y expresado mediante un numero indica la cantidad de cadencias que se haya seleccionado.

Valor efectivo.- Indica el valor instantneo del temporizador puede contar hacia atrs o hacia adelante.

Estado.- El temporizador indica si ha transcurrido el tiempo que se haya preseleccionado o si an se est transcurriendo, mantenindose la seal respectiva 0 o 1 segn el tiempo del PLC.

El temporizador est compuesto de los siguientes elementos:

1. IMPULSO

2. RETARDO DE CONEXIN

3. RETARDO A DESCONEXION

4. MONOESTABLE.

FUNCION IMPULSO.- la salida se mantiene activada mientras dure la seal de mando o condicin de marcha (tiempo impulso).

FUNCION RETARDO DE CONEXIN.- la salida se retarda hasta que transcurra el tiempo de retardo.

RETARDO A DESCONEXION.- La salida conecta simultneamente con la entrada y se mantiene hasta un tiempo despus de caer aquella, denominada tiempo de desconexin.

FUNCION MONOESTABLE.- La salida se mantiene activa, una vez activada la seal de mando, durante un tiempo constante e independiente de esta seal.

Estas funciones o algunas de ellas estn disponibles como bloques funcionales de temporizadores dentro del lenguaje AUTOMATA. Para su programacin los temporizadores necesitan definir tres campos:

Nombre de la funcin

Numero de elemento

Parmetro de preseleccin

NOMBRE DE LA FUNCIN.- Que se defina el tiempo que define el tipo de temporizador a utilizar.

NMERO DE ELEMENTO.- Que indica su direccin en variable interna (un elemento dado solo puede programarse una vez).

PARMETRO DE PRESELECCIN.- Que concreta el valor total de la temporizacin, a partir de los valores:

Mdulo de tiempo o nmero de unidades a contar.

Base de tiempo o frecuencias de conteo de unidades.

as se cumple que tiempo total = modulo x base.

En muchos autnomas el nmero de base de tiempo esta predefinida por el fabricante. Otros autmatas (por ejemplo SIEMENS) disponen de funciones especficas de temporizacin, lo que permite tener listados de programas ms compactos aunque exigen mayor especializacin por parte del usuario.

Los valores del mdulo de temporizacin suele oscilar entre 0 y 9999. Dada la facilidad con la que la CPU detecta el valor 0 sobre cualquier nmero, los temporizadores resultan en general descendentes:

Cuando la seal de mando es activada, el temporizador se decrementa desde el valor de preseleccin (mdulo de cuenta)

Cuando se alcanza el tiempo prefijado el temporizador se mantiene a 0 hasta que se desaparezca la seal de mando.

Cuando la seal de mando es 0 el temporizador se carga al valor de preseleccin, excepto si existen otras seales de mando.

PROGRAMACIN DE UN TEMPORIZADOR CON RETARDO A LA CONEXIN

CONTADORES

El contador es un elemento capaz de llevar el cmputo de las activaciones de sus entradas, por lo que resulta adecuado para memorizar sucesos que no tengan que ver con el tiempo, pero que se necesiten realizar un determinado nmero de veces.

El contador posee 4 entradas (RPUD) y 3 salidas (EDF).

ENTRADA RESET (R)- permite poner a cero el contador cada vez que se activa. Se suele utilizar el principio de la ejecucin asignndole los bits de arranque, de modo que quede a cero cada vez que se arranca el sistema.

ENTRADA PRESET (P)- permite poner la cuenta del contador a un valor determinado distinto de cero, que previamente se ha programado en Cip.

ENTRADA UP (U)- cada vez que se activa produce un incremento en una unidad de la cuenta que posea en ese momento el contador.

ENTRADA DOWN (D)- cada vez que se activa produce un decremento en una unidad la cuenta que posea en este momento el contador.

Estn definidos dos tipos de contadores:

Contador incremental

Contador bidireccional

El primero acumula el nmero de pulsos recibidas por su entrada de paso y el segundo acumula la diferencia entre los pulsos recibidos por sus entradas de cuenta ascendente y cuenta descendente. En estos ltimos existen a su vez de versiones:

De entradas de pasos separadas UP y DOWN.

De entradas de pulsos comn (pulse) y seal adicional de direccin de cuentas U/D.

Los contadores necesitan para su programacin los siguientes campos:

NOMBRE DE LA FUNCIN- Que distingue entre contadores incrementales o bidireccionales.

NUMERO DE ELEMENTO- Que indica su direccin en variable interna. Puesto que los contadores y temporizadores son muy semejantes (el valor de cuenta cambia en cada impulso externo, mientras que en los temporizadores avanza segn un reloj interno), muchos autmatas disponen de un rea comn para ubicarlos y la direccin y nmero de elemento puede ser atribuida a uno u otro, aunque no a ambos simultneamente en un mismo programa.

PARMETRO DE PRESELECCIN- Que indican el valor a alcanzar por el contador antes de activar la salida o el valor de carga cuando se activa la seal de validacin.

Los contadores necesitan de algunas seales binarias asociadas como son las entradas de pulso para conteo, y las seales de habilitacin o reset.

EJEMPLO:

AUTOMATA IZUMI

DIAGRAMA DE CONTACTOS

LISTA DE INSTRUCCIONES

LOD 1 seal preset

LOD 2 cuenta arriba

LOD 3 cuenta abajo

CNT 45 define contador

LODC45 salida activa

OUT 200 si CNT45=0

Los temporizadores y contadores varan en funcin de marcas y modelos pero los ms usuales suelen incorporar 32 temporizadores: TO..T31 y 32 contadores: CO..C31 para MELSEC MITSUBISHI y ALLEN BRADLEY. En SIEMENS se designan como T y Z; existen contadores que no se borran al desconectar el autmata (son remanentes), dichos contadores deben verificarse en los manuales respectivos. Podemos utilizarlos como si fueran entradas (mediante operaciones combinacionales) o introduciendo su valor en los registros.

INSTRUCCIONES SET Y RESET

La instruccin SET permite establecer una condicin de activacin que se sostendr mientras no aparezca la instruccin RESET, en otras palabras la instruccin SET habilita una salida, un dispositivo lgico de manera que se mantenga en condicin l, hasta que aparezca la instruccin RESET para llevar a 0 al dispositivo lgico.

6.6 APLICACIONES DEL PLC EN LOS SISTEMAS DE CONTROL

Una enorme cantidad de PLC que est llegando al mercado permite verificar la tendencia del uso de este equipo en los sistemas de control, se puede ver que son generalmente unidades compactadas de bajo costo con pocas entradas y salidas, que permiten aplicaciones simples. Por lo que emplean menos requerimientos de interfaces y extensin de programas.