s@di@z
OPERACIÓN Y PROGRAMACION DE SISTEMAS ELECTRICOS CONTROLADOS POR PLC
Introducción a los Autómatas Programables DEPARTAMENTO DE ELECTRIC IDAD
PLC Página 1
DEFINICION Se entiende por Controlador Lógico Programable (PLC), o Autómata Programable, a toda máquina electrónica 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, paralelo, 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, finales de
carrera, foto celdas, detectores...; Y unos terminales de salida a los que se conectarán bobinas de contactores, electro válvulas, lámparas. Donde la tarea del usuario se reduce a realizar el “programa”, que no es más que la relación entre las señales de entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida.
INTRODUCCION Las empresas de hoy, que piensan en el futuro, se encuentran provistas de modernos dispositivos electrónicos en sus maquinas y procesos de control. Hoy, las fábricas automatizadas deben proporcionar en sus sistemas, alta confiabilidad, gran eficiencia y flexibilidad. Una de las bases principales de tales fábricas es un dispositivo electrónico llamado Controlador Lógico Programable. Este dispositivo fue inicialmente introducido en 1968 en respuesta a una petición de la División Hidramática de General Motors. En ese entonces, GM frecuentemente usaba días o semanas reemplazando sistemas inflexibles de control basados en relés, siempre que cambiaba modelos de automóviles o hacía modificaciones de línea. A fin de reducir el alto costo del re cableado, la especificación de control de GM pedía un sistema de estado sólido que tuviera la flexibilidad de una computadora, pero que los ingenieros de planta y los técnicos pudieran
programar y dar mantenimiento. Además tenía que ser resistente a la contaminación del aire, la vibración, el ruido eléctrico, la humedad y temperaturas extremas, los cuales se encuentran en el ambiente industrial. Aún los primeros PLC’s que funcionaban como reemplazo de relés, eran más confiables que los sistemas basados en relés, debido principalmente a la robustez de sus componentes de estado sólido comparadas con las partes móviles en los relés electromecánicos. Los PLC’s proporcionaron ahorro en los costos de material, instalación, localización y corrección de problemas y mano de obra al reducir el cableado y sus correspondientes errores. Además, ocupaban menos lugar que los contadores, temporizadores y otros componentes de control que estos reemplazaban. Su capacidad para ser reprogramados aumentó notablemente su flexibilidad cuando se cambiaban los diagramas de control.
Tal vez la clave principal para la aceptación de los PLC en la industria fue que el lenguaje de programación inicial estaba basado en los diagramas de escalera y símbolos eléctricos comúnmente usado por los electricistas. Casi todo el personal de planta ya estaba capacitado en lógica de escalera y fácilmente la adoptaron para
los PLC. De hecho, la lógica de escalera todavía juega un papel muy importante en la programación, localización y corrección de problemas, a pesar que se han desarrollado lenguajes de programación más avanzados.
Introducción a los Autómatas Programables PLC
Página 2
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PLC No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y a las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones nos obligan a referirnos a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio. VENTAJAS DEL PLC Las condiciones favorables que presenta un PLC son las siguientes: 1.-Menor tiempo de elaboración de proyectos debido a que: 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 eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc. 2. Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos. 3. Mínimo espacio de ocupación.
mismos autómatas pueden detectar e indicar averías. 6. Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata. 7. Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado. 8. Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción. DESVENTAJAS DEL PLC Como inconvenientes podríamos decir, en primer lugar, que hace falta un programador, lo que obliga a uno de los técnicos capacitarse 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 espacio entre la lógica cableada y el microprocesador, es preciso que el proyectista lo conozca tanto en su amplitud como en sus limitaciones. Por tanto, aunque el costo 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.
APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS PLC’s
4. Menor costo de mano de obra de la instalación.
A).-MANIOBRAS DE MAQUINAS.
5. Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los
Maquinaria industrial del mueble y la madera. Maquinaria en proceso de
grava, arena y cemento. Maquinaria en la industria del plástico. Maquinas-herramientas complejas. Maquinaria de ensamblaje. Maquinas de transferencia. B).-MANIOBRA DE INSTALACIONES. Instalaciones de aire acondicionado y calefacción. Instalaciones de seguridad. Instalaciones de almacenamiento y transporte. Instalaciones de plantas embotelladoras. Instalaciones en la industria automotriz Instalación térmicos.
de
tratamientos
Instalaciones de la industria azucarera.
Es interesante hacer notar que aunque el PLC fue originalmente diseñados como un dispositivo de reemplazo de control industrial cumpla las necesidad de los usuarios. Las necesidades de la aplicación pueden ser definidas solamente por un análisis detallado del sistema completo. Esto significa que los exámenes detallados deben ser ejecutados en todas las facetas de la maquina u operación del proceso. Como ninguna aplicación es diferente, no hay una rutina clara y concisa que evalué las necesidades de todas las aplicaciones Una última consideración importante en la aplicación de un PLC es el futuro crecimiento del sistema. Los PLC están diseñados modularmente y por lo tanto con posibilidades de poder expandirse para satisfacer las necesidades de la industria. Es importante que a la aplicación de un PLC se pueda considerar los beneficios de las futuras expansiones.
OPERACIÓN Y PROGRAMACION DE SISTEMAS ELECTRICOS
Página 3
ARQUITECTURA DE LOS PLC La estructura básica de cualquier autómata se divide en una estructura externa una interna. La Estructura Externa o configuración externa de un autómata programable se refiere al “aspecto físico exterior del mismo”, bloques o elementos en que esta divido, 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 a que perteneciese: Europea o Norteamericana. Actualmente son dos las estructuras más significativas que existen en el mercado: Estructura Compacta Estructura Modular ESTRUCTURA COMPACTA Se distinguen por presentar “en un solo bloque todos sus elementos”, esto es fuente de alimentación, CPU, memorias, E/S, 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 encontraremos con la posibilidad de conexión del mismo será mediante cable y conector. El montaje del autómata al armario que ha de contenerlo
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 autómatas se divide en “módulos o partes” del mismo que realizan funciones especificas. Aquí cabe hacer dos divisiones para distinguir entre las que denominaremos estructura americana y europea.
módulos que lo componen. Como la estructura externa del PLC es el aspecto físico, la Estructura Interna corresponde a las partes en que se ordena su conjunto físico o Hardware con las funciones y el funcionamiento con cada una de ellas. Los PLC se componen esencialmente por bloques internos los cuales se dividen y definen en :
Fuente de alimentación
Dispositivos de entrada o captadores
Sección de entradas
A este módulo se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de carrera, pulsadores,...). La información recibida en él, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la programación residente.
vos y los Activos.
Módulo de entrada
La estructura europea se caracteriza principalmente por que existe un modulo para cada función: fuente de alimentación. 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 carril DIN o placa perforada, sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos
Modulo de entradas
Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al módulo de entradas: los Pasi-
CPU
La 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. de alimentación, y separadamente las unidades de E/S en los bloques y salidas necesario.
procesa para enviar respuestas al módulo de salidas. En su memoria se encuentra residente el programa destinado a controlar el proceso.
Módulo de salida
Terminal de programación
Los Captadores Pasivos son aquellos que cambian su estado lógico, activado - no activado, por medio de una acción mecánica. Estos son los Interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc.
Periféricos. Fuente de alimentación
Es la encargada de convertir la tensión de la red, 220v c.a., a baja tensión de c.c, normalmente 24 v. Siendo esta la tensión de trabajo en los circuitos electrónicos que forma el Autómata.
Los Captadores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados por una tensión para que varíen
CPU
La Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema. Se encarga de recibir las ordenes, del operario por medio de la consola de programación y el modulo de entradas. Posteriormente las Unidad Central De Procesos CPU
su estado lógico. Este es el caso de los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoeléctricos). Mu-
Sección de salidas
Dispositivos de salida o actuadores
Introducción a los Autómatas Programables PLC
chos de estos aparatos pueden ser alimentados por la propia fuente de alimentación del autómata. El que conoce circuitos de automatismos industriales realizados por contactores, sabrá que puede utilizar, como captadores, contactos eléctricamente abiertos o eléctricamente cerrados dependiendo de su función en el circuito. Como ejemplo podemos ver un simple arrancador paro /marcha (Fig 5). En él se distingue el contacto usado como pulsador de marcha que es normalmente abierto y el usado como pulsador de parada que es normalmente cerrado. Sin embargo en circuitos automatizados por autómatas, los captadores son generalmente abiertos. El mismo arrancador paro/marcha realizado con un autómata es el de la figura 6. En él se ve que ambos pulsadores y el relé térmico auxiliar son abiertos. Modulo de salidas El modulo de salidas del autómata es el encargado de activar y desactivar los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, motores peque os, etc). La información enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada, se envía al módulo de salidas para que estas sean activadas y a la vez los actuadores que en ellas están conectados. Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar diferentes módulos de salidas. Existen tres tipo bien diferenciados: 1) relés.
2) triac. 3) transistores. Módulos de salidas a relés. Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Están basados en la conmutación mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico normalmente abierto. Módulos de salidas a Triacs Se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna que necesiten maniobras de conmutación muy rápidas. Módulos de salidas a Transistores a colector abierto. El uso del este tipo de módulos es exclusivo de los circuitos de c.c. Igualmente que en los de Triacs, es utilizado en circuitos que necesiten maniobras de conexión / desconexión muy rápidas. La forma de conectar los actuadores a los módulos de salidas, dependerá del tipo de módulo utilizado. TERMINAL DE PROGRAMACIÓN El Terminal o consola de programación es el que permite comunicar al operario con el sistema. Las funciones básicas de éste son las siguientes: -Transferencia y modificación de programas. -Verificación de la programación.
-Información del funcionamiento de los procesos. Como consolas de programación pueden ser utilizadas las construidas específicamente para el autómata, tipo calculadora o bien un ordenador personal, PC, que soporte un software especialmente diseñado para resolver los problemas de programación y control. PERIFÉRICOS Los periféricos no intervienen directamente en el funcionamiento del autómata, pero sin embargo facilitan la labor del operario. Los más utilizados son: - Impresoras. - Cartuchos de memoria EEPROM. - Visualizadores y paneles de operación OP MEMORIAS Llamamos memoria a cualquier dispositivo que nos permita almacenar información en forma de BIT (ceros y unos). En nuestro caso nos referiremos a las memorias que utilizan como soporte elementos semiconductores. No todas las memorias son iguales, se distinguen dos tipos fundamentales de memorias fabricadas con semiconductores: RAM : (Random Acces Memory), memoria de acceso aleatorio o memoria de lectura
Página 4
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), memoria de solo lectura. N 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 cuadro existen otros tipos en las que los sistemas de programación, su borrado y su volatilidad o permanencia de la información marcan su diferencia. PROCESADOR Esta 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 circuitos impresos en ella y junto al chip microprocesador se sitúan todos aquellos circuitos inte4grados que lo componen, principalmente memorias ROM del sistema o firmware. En algunos tipos de autómatas aquí se sitúan también los chip de comunicación con periféricos o de interconexión con el sistema de entradas y salidas.
OPERACIÓN Y PROGRAMACION DE SISTEMAS ELECTRICOS
Página 5
Tipos de Memoria
Sistema de programación
Sistema de borrado
Ante el corte de tensión la memoria
RAM
Eléctrica
Eléctrico
Se pierde, es volátil
Durante su proceso de fabricación
Es imposible su borrado
Se mantiene
PROM
Eléctrica
Es imposible su borrado
Se mantiene
Memoria programable EPROM
Eléctrica
Por rayo Ultra Violeta
Se mantiene
Memoria modificable EEPROM
Eléctrica
Eléctrico
Se mantiene
Memoria de lectura escritura ROM Memoria de solo lectura
Memoria modificable
PRINCIPIOS DE PROGRAMACION DE UN PLC Un programa es una sucesión o lista en un determinado orden de distintas ordenes de trabajo, también llamadas instrucciones y capaz de hacer ejecutar al autómata la secuencia de trabajo pretendida. Existen varios lenguaje o sistemas de programación posibles en los autómatas programables, ellos son: Nomónicos, Diagrama de contactos, planos de funciones, Grafset y Organigramas. Nosotros estudiaremos uno de los más usados, que es el esquema de contactos o diagrama escalera (Ladder).
CONSIDERACIONES PROGRAMAR
PARA
Antes de acometer los ejemplos prácticos, es necesario tener en cuenta algunas consideraciones que nos facilitarán la labor de programación y que son las siguientes: A) La programación en cada bloque de contactos se realizará en el orden de izquierda a derecha, tal y como queda indicado en la siguiente figura.
Introducción a los Autómatas Programables PLC
B) El sentido de programación de los bloques de contactos de un programa se ejecutará en el sentido de arriba a abajo, según se puede observar como sigue en la figura. C) El número de contactos que se pueden colocar en un bloque, desde el comienzo
de la línea principal hasta la salida “OUT”, es ilimitado. La única limitación práctica que podemos encontrar es la de la anchura del papel cuando se quiera sacar el programa por impresora; en este caso, el número máximo de contactos en serie es de ocho.
D) No se puede conectar una salida directamente a la línea principal, en estos casos se intercalan un contacto cerrado de una marca cualquiera. Esta posibilidad de acceder a contactos abiertos o cerrados fijos, ya que no utiliza la bobina de dicha marca o F) Los términos “contacto abierto”, “normalmente abierto (NA)” y “contacto de cierre”, significan lo mismo y se refieren al con-
Las especiales, con funciones varias como generador de impulsos, impulsos para funciones protegidas en primer ciclo de scan, etc. I) No se pueden designar más de una salida con la misma dirección.
Página 6
relé, es importante tenerla en cuenta en toda programación. La figura muestra el caso descrito. E) Después de una salida “OUT” no se puede colocar contacto alguno, tal y como se muestra la figura.
tacto que en estado de reposo está abierto, o lo que es lo mismo, el paso de corriente a través de él no es posible.
G) En el mismo sentido, el término “contacto cerrado”, “normalmente cerrado (NC)” y “contacto de apertura”, también significan lo mismo y es el contacto que en estado de reposo se encuentra cerrado, o sea, el paso de corriente a través de él sí es posible.
forma similar, siendo su utilización más común como relés auxiliares. La mayoría de los PLC’s la dividen en tres grupos:
H) “Contactos de marcas”. Aunque no son salidas exteriores, las marcas se representan y programan de
Las protegidas contra el corte de alimentación y que, por tanto, no pierden su estado ante esta eventualidad.
Las no protegidas contra el corte de alimentación.
OPERACIÓN Y PROGRAMACION DE SISTEMAS ELECTRICOS
Página 7
DIAGRAMAS ELECTRICOS DE ESCALERA
como la energía eléctrica del Bus o un contacto proveniente de un dispositivo de campo. Se dice que un renglón tiene continuidad eléctrica cuando la corriente fluye sin interrupción de izquierda a derecha a lo largo del renglón (todos los contactos están cerrados). Si existe continuidad, entonces se completa el circuito y el dispositivo controlado por el renglón se activa (ON). Si no existe continuidad, el dispositivo permanece desactivado (OFF) PROGRAMAS DE LOGICA DE ESCALERA n programa de lógica de escalera PLC es muy parecido a un diagrama eléctrico de escalera. En un diagrama eléctrico, los símbolos representan dispositivos reales y cómo están
cableados. Un programa PLC usa símbolos parecidos, pero estos representan instrucciones de lógica de escalera para la aplicación. Un programa de lógica de escalera existe sólo en el software del PLC, no es el Bus de alimentación eléctrica real ni el flujo de corriente a través de los circuitos. Otra diferencia es que en un diagrama eléctrico, los dispositivos se describen como estando abiertos o cerrados (OFF u ON). En un programa de lógica de escalera las instrucciones son falsas o verdaderas (sin embargo, los términos a menudo se usan intercambiablemente). Cada renglón en un programa de lógica de escalera debe contener por lo menos una instrucción de control (salida) y generalmente contiene una o más instrucciones condiciona-
Los programas de lógica de escalera surgieron de los diagramas eléctricos de escalera, los cuales representan como fluye la corriente eléctrica a través de dispositivos para completar un circuito eléctrico. Estos diagramas muestran la interconexión entre los dispositivos eléctricos en un formato gráfico fácil de leer el cual guía al electricista cuando realiza el cableado (ver figura de la derecha).
Un diagrama eléctrico consta de dos líneas distribuidoras (BUS) verticales, o líneas de alimentación eléctrica, con la corriente fluyendo del Bus izquierdo al Bus derecho. Cada circuito eléctrico en el diagrama se considera un renglón. Cada renglón tiene dos componentes claves: contiene por lo menos un dispositivo que es controlado y contiene la(s) condición(es) que controla(n) el dispositivo, tal
les (entradas). Las instrucciones condicionales se programan a la izquierda de la instrucción de control. Los ejemplos de instrucciones condicionales incluyen las señales de dispositivos de entrada conectados, contactos asociados con salidas y señales provenientes de temporizadores y contadores.
dispositivo de campo) y las instrucciones internas del PLC, tales como comando de bits, temporizadores, contadores y comandos matemáticos.
Una instrucción de control, programada en el lado derecho del renglón, es la operación y función que es activada / desactivada por la lógica del renglón. Los ejemplos de las instrucciones de control incluyen la activación de una salida (activa los circuitos de salida del PLC para activar un
Las instrucciones de control se activan o desactivan basándose en el estado de las instrucciones condicionales en el renglón. El PLC hace esto examinando la continuidad lógica de un renglón (todas las instrucciones condicionales son evaluadas como verdaderas). Si existe continuidad lógica,. El PLC activa la instrucción de control. Si no existe continuidad lógica, entonces el PLC mantiene la Instrucción de control en el estado OFF o desactivado.
Introducción a los Autómatas Programables PLC
Página 8
SIMBOLOGIA BASICA DE PROGRAMACION
IDENTIFICACIÓN ALUMNO
s@di@z
PERTENECE A:
APUNTE EDITADO POR: SERGIO A. DIAZ NUÑEZ PROFESOR DE ESTADO DE ELECTRICIDAD
CURSO COLEGIO
sadiaz.extreme@hotmail.com http://www.wix.com/sadiaz/sadiaz
OTROS DATOS FUENTES DE CONSULTA: BIBLIOGRAFIAS ALLEN BRADLEY COMPANY, INC. “Micro Mentor” –Descripción y aplicación de los microcontroladores programables- Estados Unidos 1995 BERRIOS SANTANDER MARCELO, “Autómatas Programables Serie D-50 Clutler -Hammer”. ROLEC S.A. Santiago Chile 1995. INAI CAPACITACION, “Manual PLC FB Fatek (Básico)”. Santiago, Chile 1999 PINO C. HECTOR, “Apuntes Controladores Lógicos Programables en Sistemas de Control”. UTEM, Santiago Chile 1994. PORRAS A. / MONTANERO A. P. , “Autómatas Programables”. Mc Graw Hill, España 1996.
MATERIAL ELECTRONICO http://www.ad.siemens.de/simatic/ http://www.aeg.com/ http://www.bitmakers.com/industrial/kv/ kv.html http://www.ch.cutler-hammer.com http://www.fatek.com/ http://www.gefanuc.com/index.asp http://www.hitachi-ds.com/ http://olmo.pntic.mec.es/~jmarti50/ automatas/auto.htm#inicio