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