Presentación - Facultad de Ciencias

Presentación
OBJETIVO
Proporcionar al estudiante involucrado en el manejo, diseño y
mantenimiento de sistemas de automatización industrial, un
apoyo tanto teórico básico, como práctico para el aprendizaje
de Autómatas programables, o
Controladores Lógicos
programables (o simplemente por sus siglas en inglés PLC´s).
Así también, el de proporcionar
a los catedráticos o
instructores que impartan el curso, un material didáctico en
forma de presentaciones en Power Point.
Todo el material antes mencionado estaría disponible, ya sea en
un CD o vía Internet en el servidor de la Facultad de Ciencias.
1
Contenido
Capítulo I.- AUTOMATIZACIÓN : CONCEPTOS GENERALES
1.1
Introducción
1.2
Sistemas de control
1.3
Automatismos analógicos y digitales
1.4
Automatismos cableados y programables
1.5
El Autómata Programable o Controlador Lógico
Programable
1.6
Control por computadora
Capítulo II.-ARQUITECTURA INTERNA DEL AUTÓMATA PROGRAMABLE
2.1 componentes básicos de un PLC
2.2 CPU
2.3 Memoria del Autómata.
2.4 Interfases de E/S.
2.5 Fuente de alimentación.
Capítulo III.- CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL AUTÓMATA
3.1 Tipos de PLC´s
3.2 Tiempo de ejecución y control de tiempo real
Capítulo IV.- EL RELEVADOR Y LOS DIAGRAMAS DE ESCALERA
4.1 El relevador
4.2 Simbología
4.3 El diagrama de Escalera.
4.4 Implementación de funciones lógicas
Capítulo V.- PROGRAMACIÓN DEL PLC
5.1 Funciones lógicas
5.2 Control maestro
5.3 Timers
5.4 contadores
5.5 registros de corrimientos
5.6 Funciones especiales
5.7 Ejemplos de aplicaciones
Capítulo VI.- PROGRAMACIÓN AVANZADA
2
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
Transferencia de datos
contadores rápidos
generadores de pulsos
PWM
operaciones Aritméticas
Capítulo VII.- INTERFASES DE ENTRADAS Y SALIDAS
7.1 Tipos de interfases de entrada y salida
7.2 Entradas
7.3 Salidas
7.4 Entradas y salidas analógicas
Capítulo VIII.- SENSORES Y ACTUADORES
8.1 Características de los sensores digitales
8.2 Interruptores de acción mecánica
8.3 Sensores de Proximidad
8.4 Sensores Inductivos
8.5 Tipos de sensores de Corriente Directa
8.6 Sensores de Proximidad Capacitivos
8.7 Sensores de proximidad Ultrasónicos
8.8 Actuadores
Capítulo IX.- EJEMPLOS DE APLICACIONES
3
Prólogo
En los primeros tres capítulos pretendemos proporcionar al
estudiante el “background” necesario para conocer ampliamente
los antecedentes , la estructura , el funcionamiento de un PLC.
En el capítulo cuarto, se dan a conocer los conceptos básicos de
relevación y los diagramas de escaleras necesarios para entender
una de las formas más comunes de programación de un PLC .
En los capítulos 5 y 6 se aborda la programación básica y
avanzada respectivamente de un PLC, usando los lenguajes de
listado de instrucciones y diagrama de escaleras.
La s interfases o módulos de entrada y salida del PLC, donde se
conectan los sensores que captan la información del estado
actual del proceso y los actuadores que realizan el trabajo, serán
ampliamente discutidas en el capítulo 7 y los mismos sensores y
actuadores en el capítulo 8.
Y finalmente, concluimos el presente trabajo
algunos ejemplos de aplicaciones prácticas.
4
describiendo
CAPITULO I
AUTOMATIZACIÓN: conceptos
generales
1.1 NTRODUCCIÓN
Prácticamente todas las industrias del mundo poseen al menos un
pequeño sistema automático en sus procesos o máquinas, lo cual
significa que la automatización es un área que está permanentemente en
contacto con nosotros.
Por esa razón debemos estar preparados y conocer el funcionamiento de
dichos sistemas, por insignificantes que parezcan.
El conjunto de técnicas que tienen por objeto la regulación, el mando y
la organización de máquinas que realizan determinado trabajo, sin la
intervención humana directa sobre sus elementos de salida se le conoce
como automatización.
De aquí se desprende que, un automatismo es un dispositivo eléctrico,
electrónico, neumático, etc. capaz por si solo de controlar la operación
de una máquina o proceso de acuerdo a los parámetros con los cuales
ha sido diseñado.
Con un sistema automático se busca principalmente aumentar la
eficiencia del proceso incrementando la velocidad, la calidad , la
precisión y disminuir los riesgos que normalmente se tendrían en la
tarea si fuese realizada en forma manual.
5
Los automatismos están compuestos de tres partes principales, como
son la obtención de señales por parte de los sensores, el procesamiento
de dichas señales hecho por procesadores inteligentes y la ejecución
de las respuestas efectuada por los actuadores.
UASLP
Elementos de un sistema básico de control
Sensores
Sensores
Procesadores
Procesadores
Actuadores
Actuadores
Facultad de Ciencias
Carlos Canto
Historia de los Autómatas Programables
Hasta no hace mucho tiempo el control de procesos industriales se venía
haciendo de forma cableada por medio de contactores y relevadores.
Al operario que se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le
exigía tener altos conocimientos técnicos para poder realizarlas y
posteriormente mantenerlas. Además cualquier variación en el proceso
implicaba modificar físicamente gran parte de las conexiones de los
montajes, siendo necesario para ello un gran esfuerzo técnico y un mayor
desembolso económico
6
LOS 60’S
Los PLC's se introdujeron por primera vez en la industria a fines de los
60’s . La razón principal de tal hecho fué la necesidad de eliminar el gran
costo que se producía al reemplazar el complejo sistema de control
basado en relevadores y contactores.
Bedford
Associates
propuso
algo
denominado Controlador Digital Modular
(MODICON, MOdular DIgital CONtroler) a
una empresa automotriz.
Otras compañías propusieron a la vez
esquemas basados en computadoras, como
la PDP-8.
El MODICON 084 resultó ser el primer PLC
del mundo en ser producido comercialmente.
El problema de la automatización, en ese
entonces,
era
que
cuando
los
requerimientos de producción cambiaban también lo hacía el sistema de
control. Esto comenzó a resultar bastante caro conforme los cambios
fueron requeridos más frecuentemente. Dado que los a controladores
eran dispositivos mecánicos ( y por lo tanto con una vida limitada), se
requería una estricta planificación del mantenimiento.
Por otra parte, a veces se debían realizar conexiones entre cientos o miles
de dispositivos, lo que implicaba un enorme esfuerzo de diseño y
mantenimiento.
Los "nuevos controladores" debían ser fácilmente programables por
ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida
debía ser largo y los cambios en el programa tenían que realizarse de
forma sencilla. Finalmente se imponía que trabajaran sin problemas en
entornos industriales adversos. La solución fue el empleo de una técnica
de programación familiar y reemplazar los relevadores mecánicos por
relevadores de estado sólido.
LOS 70’S
A mediados de los 70 las tecnologías dominantes de los PLC eran
máquinas de estado secuenciales y CPU basadas en desplazamiento de
bit. Los AMD 2901 y 2903 fueron muy populares en el Modicon y PLC's AB. Los microprocesadores convencionales aportaron la potencia necesaria
para resolver de forma rápida y completa la lógica de los pequeños PLC's.
7
Por cada modelo de microprocesador había un modelo de PLC basado en
el mismo. No obstante, el 2903 fue de los más utilizados.
Las habilidades de comunicación comenzaron a aparecer en 1973
aproximadamente. El primer sistema fué el bus Modicon (Modbus). El PLC
podía ahora dialogar con otros PLC's y en conjunto podían estar aislados
de las máquinas que controlaban. Tambien podían enviar y recibir señales
de
tensión
variables,
entrando
en
el
mundo
analógico.
Desafortunadamente, la falta de un estándar acompañado con un
continuo cambio tecnológico ha hecho que la comunicación de PLC's sea
un maremagnum de sistemas físicos y protocolos incompatibles entre si.
No obstante fue una gran década para los PLC's.
LOS 80’S
En los 80 se produjo un intento de estandarización de las comunicaciones
con el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General
Motor's. También fué un tiempo en el que se redujeron las dimensiones
del PLC y se pasó a programar con programación simbólica a través de
ordenadores personales en vez de los clásicos terminales de
programación. Hoy día el PLC más pequeño es del tamaño de un simple
relevador.
LOS 90’S
Los 90 han mostrado una gradual reducción en el número de nuevos
protocolos, y en la modernización de las capas físicas de los protocolos
más populares que sobrevivieron a los 80. El último estándar (IEC 11313) intenta unificar el sistema de programación de todos los PLC en un
único estándar internacional. Ahora disponemos de PLC's que pueden ser
programados en diagramas de bloques, lista de instrucciones y texto
estructurado al mismo tiempo.
Las PC están comenzando a reemplazar al PLC en algunas aplicaciones,
incluso la compañía que introdujo el Modicon 084 ha cambiado al control
basado en PC. Por lo cual, no sería de extrañar que en un futuro no muy
lejano el PLC desaparezca frente al cada vez más potente PC, debido a las
posibilidades que los ordenadores pueden proporcionar.
8
1.1 Sistemas de control
El control puede ser definido como el manejo indirecto de variables de un
sistema denominado planta a través de un elemento denominado
sistema de control.
Los sistemas de control pueden ser muy amplios, desde un simple
interruptor que prende o apaga una lámpara, hasta un sistema que
maneje todo una línea de procesos dentro de una fábrica de
automóviles, por ejemplo.
Asimismo, un sistema de control puede ser manual o automático , o lo
mismo , de lazo abierto o de lazo cerrado.
UASLP
S IS T E M A D E C O N T R O L
O PERADO R
1 2 3 4
5 6 7 8
9 0 * #
SSI ISSTTEEMMAA
DDEECCOONNTTRROOLL
SE Ñ A L E S D E
CONTROL
C O N S IG N A S
PPLLAANNTTAA
M A G N IT U D E S
RESPUESTA
CONTROL:
M A N IP U L A C IÓ N D E L A S M A G N IT U D E S D E U N S IS T E M A D E N O M IN A D O “ P L A N T A ”
A T R A V É S D E O T R O L L A M A D O “S IS T E M A D E C O N T R O L ”, S IN L A IN T E R V E N C IÓ N
D E L O P E R A D O R D IR E C T A M E N T E S O B R E L O S E L E M E N T O S D E S A L ID A
F a c u lta d d e C ie n c ia s
C a rlo s C a n to
9
U
UA
A SS L
L PP
S is t e m a d e c o n t r o l d e la z o a b ie r t o
E n e r g ía
S e ñ a le s d e
c o n s ig n a
S e ñ a le s
de
co n tro l
SSisistetemma adde e
c coonntrtrool l
PPlalanntata
AAc cc ci oionna ammieienntoto
E le m e n to s d e se ñ a l
E le m e n to s d e p o te n c ia
F a c u lt a d d e C ie n c ia s
C a r lo s C a n t o
U
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A SS L
L PP
S is t e m a d e c o n t r o l d e l a z o c e r r a d o
E n e r g ía
S e ñ a le s d e
c o n s ig n a
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c coonnt rtrool l
ini nt eter fa
r fas se es s
S a lid a s
S e ñ a le s d e
c o n tr o l
R e s p u e s ta
AAc cc ci oi onna ammi ei enntoto
PPl al annt ata
s se enns soor er es s
S e ñ a le s
de
r e t r o a l im e n t a c ó n
E le m e n to s d e s e ñ a l
E le m e n to s d e p o te n c ia
F a c u lt a d d e C i e n c ia s
C a r lo s C a n to
10
1.3 Automatismos analógicos y
digitales
U
UA
A SS L
L PP
S IS TE M AS D E C O N T R O L
S E G Ú N L A N A T U R A L E Z A D E L AS S E Ñ A L E S Q U E IN T E R VIE N E N E N E L P R O C E S O
‰
S IS T E M A S A N A L Ó G IC O S
T r a b a ja n c o n s e ñ a le s c o n t in u a s , r e p r e s e n t a n d o m a g n it u d e s
f ís ic a s d e l p r o c e s o t a le s c o m o p r e s ió n , t e m p e r a t u r a , v e lo c id a d ,
e t c . , m e d ia n t e u n a t e n s ió n o c o r r ie n t e p r o p o r c i o n a le s a s u v a lo r
( 0 - 1 0 v o lt s , 4 a 2 0 m A , e t c .)
‰
S IS T E M A S D IG IT A L E S
T r a b a ja n c o n s e ñ a le s t o d o o n a d a t a m b ié n lla m a d a s b in a r ia s ,
r e p r e s e n t a d a s c o n v a r ia b le s ló g ic a s o b it s , c u y o s v a lo r e s s o lo
pueden ser 0 ó 1.
S i la v a r ia b le e s d e u n b it s e lla m a n a u t o m a t is m o s ló g ic o s .
S i la v a r ia b le p r o c e s a n s e ñ a le s d e v a r i o s b it s p a r a r e p r e s e n t a r
v a lo r e s n u m é r ic o s s e lla m a n a u t o m a t is m o s d ig it a le s .
‰
S IS T E M A S H ÍB R ID O S A N A L Ó G IC O S – D IG IT A L E S
P r o c e s a n t a n t o s e ñ a le s a n a ló g ic a s c o m o d ig it a le s
F a c u lt a d d e C ie n c ia s
C a r lo s C a n t o
1.4 Automatismos cableados y
programables
Los automatismos cableados, también llamados de lógica cableada,
tienen una arquitectura básicamente rígida
de tal forma que al
diseñarlas se debe tomar en cuenta que cualquier cambio en el proceso,
por insignificante que éste sea, implica la modificación de elementos,
cambio de conexiones y en algunos casos hasta el rediseño de todo el
sistema.
11
U A SLP
C O M P A R A C IÓ N D E S IS T E M A S C A B L E A D O S Y
S IS T E M A S P R O G R A M A B L E S
C A R A C T ER ÍSTIC A S
SIS TEM A
CA BLEADO
F le x ib ilid a d de a da p ta c ió n a l p ro ce s o
BAJA
H a rd w a re es tá n d a r pa ra d is tin ta s a p lic ac io n es
PLC
ALTA
NO
SI
P o s ib ilid a d de a m p lia c ió n
BAJAS
ALTAS
In te rc o n e x ió n y ca b lea d o ex te rio r
MUCHO
POCO
T ie m p o d e d es a rro llo de l p ro ye c to
LA RG O
CO RTO
P o s ib ilid a de s de m o d ific ac ió n
D IF IC IL
F Á C IL
M a n te n im ie n to
D IF IC IL
F Á C IL
H e rra m ie n ta pa ra p rue b a
NO
SI
S to c k s de m a n te n im ie n to
M E D IO S
BAJOS
M o d ific a c io n e s s in p a ra r e l p roc es o
C o s to p a ra p e q ue ñ as se ries
E s tru c tu ra c ió n e n b lo q u es in d e pe n d ie n tes
F a c u lta d d e C ie n c ia s
NO
SI
ALTO
BAJO
D IF IC IL
F Á C IL
C a rlo s C a n to
1.5 El Autómata Programable o
Controlador Lógico Programable
Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que
tengan una o varias de las siguientes necesidades:
•
•
•
•
•
•
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.
Aplicaciones generales:
•
•
•
Maniobra de máquinas.
Maniobra de instalaciones.
Señalización y control.
12
Tal y como dijimos anteriormente, ésto se refiere a los autómatas
programables industriales, dejando de lado los pequeños autómatas para
uso más personal (que se pueden emplear, incluso, para automatizar
procesos en el hogar, como la puerta de un cochera o las luces de la
casa).
Ventajas e inconvenientes de los PLC's
Entre la ventajas tenemos:
•
Menor tiempo de elaboración de proyectos.
•
Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en
otros componentes.
•
Mínimo espacio de ocupación.
•
Menor costo de mano de obra.
•
Mantenimiento económico.
•
Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo
autómata.
•
Menor tiempo de puesta en funcionamiento.
•
Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial
puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de
producción.
Y entre los inconvenientes:
•
•
Adiestramiento de técnicos.
Costo.
Al día de hoy los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas la
carreras de ingeniería incluyen la automatización como una de sus
asignaturas. En cuanto al costo tampoco hay problema, ya que hay
autómatas para todas las necesidades y a precios ajustados.
1.6 Control por computadora
Algunos procesos complejos requieren sistemas de control con una gran
capacidad de cálculo, conexión a estaciones gráficas, múltiples canales
de comunicación, facilidad de adaptación, capacidad de multiproceso,
etc. Para ellos se ha venido usando microcomputadoras a los que se ha
adaptado interfases específicas para la planta a controlar.
La tendencia actual en el control de estos procesos complejos es utilizar
los PLC´s en red o como periféricos de un a computadora , con la cual se
combina la potencia del cálculo de la PC y la facilidad de interfases
estándar que ofrece el PLC.
13
De esta forma se obtiene las prestaciones siguientes:
ƒ
Sistema programable con gran potencia de cálculos
ƒ
Mucho software estándar disponible para la manipulación
de datos y gestión de la producción.
ƒ
Interfases estándar de PC´s para estaciones gráficas,
utilizadas para monitoreo del proceso.
ƒ
Control descentralizado con inteligencia distribuida , sin
interrumpir todo el proceso cuando haya fallos del control
central.
ƒ
Sistemas de comunicación estándar LAN o WAN.
ƒ
Facilidad de interfase con la planta.
ƒ
Mantenimiento fácil por secciones.
ƒ
Disponibilidad de herramientas de prueba y
mantenimiento.
ƒ
Posibilidad de visualizar el proceso a tiempo real.
ƒ
Programación fácil a nivel secciones.
ƒ
Flexibilidad para hacer cambios.
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