Experiencia 3: Controladores Lógicos Programables

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1 IEE2682 LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO 1 Experiencia 3: Controladores Lógicos Programables Diego Ávila, Hernán Campillo, Juan Andrés Mora Abstract Debido a su extenso uso en el ámbito de la automatización industrial, el conocimiento y manejo de los Controladores de Lógica Programable (PLC) son habilidades necesarias para cualquier profesional relacionado con las áreas de la Ingeniería Eléctrica. En esta experiencia se desarrollará una introducción práctica al manejo de los PLC, en particular utilizando la lógica de escalera. Index Terms Control Automático, Laboratorio de Control Automático, PLC, RLL, Lógica de escalera I. INTRODUCCIÓN EN este informe se presenta el desarrollo de la experiencia de control de distintos elementos a través de un controlador lógico programable. En la sección II se presenta una contextualización y descripción de conceptos relevantes para el desarrollo de la experiencia. Posteriormente, en la sección III, se desarrolla una solución a un problema simple de control de un motor mediante un PLC. Luego, en la sección IV se desarrolla un programa utilizando lógica de escalera para la solución de un problema de tráfico en una esquina mediante el control de semáforos. Por último, en la sección V, se presentan la que a nuestro juicio son las conclusiones más importantes extraídas de la experiencia realizada entre las que cabe destacar: Importancia en la actualidad de los controladores PLC y reconocimiento de estos como una alternativa poderosa para la resolución de problemas de control. Conocimiento de distintas formas de lógica para el desarrollo de programas para un PLC como lo son la lógica de escalera y la programación por etapas, mediante la aplicación directa en la solución de problemas. Importancia de un buen debug del programa mediante la posibilidad de monitoreo en tiempo real de variables que el software ofrece como una opción para prevenir errores y entender de mejor manera el funcionamiento de la solución desarrollada. II. MARCO TEÓRICO En esta sección se realiza una contextualización teórica de aspectos relevantes al desarrollo de la experiencia mediante el formato pregunta respuesta. Qué es un PLC? Un PLC (Programable Logic Controller - controlador lógico programable) es un dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar secuencialmente procesos en tiempo real en un ámbito industrial. Cuáles son las unidades funcionales de un PLC? 1) Unidad de entradas: Proporciona el aislamiento eléctrico necesario y realiza el acondicionamiento de las señales eléctricas de voltaje, provenientes de los switches de contactos ON-OFF de terreno. Las señales se adecúan a los niveles lógicos de voltaje de la Unidad Lógica. 2) Unidad de salidas: Acepta las señales lógicas provenientes de la Unidad Lógica, en los rangos de voltaje que le son propios y proporciona la aislación eléctrica a los switches de contacto que se comandan hacia terreno. Se debe notar que ambas son de estado sólido, lo que se traduce en mayor velocidad y tiempo entre fallas. 3) Unidad lógica: Está basada en un microprocesador. Ejecuta las instrucciones programadas en memoria, para desarrollar los esquemas de control lógico que se especifican. Antiguos diseños usaban elementos como nand, flip flops, contadores (hardwire), mientras que los nuevos utilizan memorias (softwire). 4) Unidad de memoria: Almacena el código de mensajes o instrucciones que ejecuta la Unidad Lógica. La memoria se divide en PROM o ROM y RAM. a) ROM: (Read Only Memory) Memoria no volátil que puede ser leída pero no escrita. Es utilizada para almacenar programas y datos necesarios para la operación de un sistema basado en microprocesadores (coordinan y administran los recursos del equipo). b) RAM: (Random Access Memory). Memoria volátil que puede ser leída y escrita según sea la aplicación. Cualquier posición de memoria puede ser accesada en cualquier momento. Su función es almacenar los programas de aplicación que pueden sufrir modificaciones. Esta memoria es respaldada con baterías, con el propósito de no perder la información al existir cortes de fluido eléctrico. Qué tipos de entrada y salida puede manejar un PLC? Los PLC como inputs normalmente utilizan switches o sensores. En las salidas pueden presentar motores, relays o lamps. Cómo se representan las entradas y salidas en un PLC? Los puntos de entrada son designados como X 0, X 1, X 2, X 3..., mientras que los puntos de salida se identifican como Y 0, Y 1, Y 2, Y 3... Cuáles son los módulos básicos de un PLC? Explíquelos. 1) Fuente de poder: Sumistra energía al sistema desde

2 IEE2682 LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO 2 una toma de corriente. 2) CPU: (Central Processing Unit) Unidad de procesamiento encargada de la ejecución de las instrucciones. 3) Interfaces de entrada y salida: Los puntos del PLC son las entradas/salidas físicas que éste puede manejar. Cada punto tiene su representación interna en la memoria del PLC, en la que se utilizan números para identificarlos. Explique el funcionamiento de contactos y bobinas en un programa RLL. En el programa RLL el switch se representa con el símbolo, que se denomina CONTACTO NOR- MALMENTE ABIERTO (NO). Esto significa que establece el flujo de energía cuando el interruptor se cierra. Si el switch se abre, no fluye corriente a través del contacto. El dispositivo de salida es el solenoide cuyo símbolo es -( )-. Este símbolo es usado tanto para un dispositivo físico de salida externa, como para una salida interna que se emplea posteriormente en el programa. Explique los bloques Temporizador y Contador. Temporizador: mientras el contacto TIME permanece cerrado, el valor del acumulador ACCUM se incrementa en uno por cada unidad de tiempo que pase. Esta unidad de tiempo es en algunos PLC 0.1 seg, mientras que en otros puede ser una unidad configurable. Cuando el temporizador alcance el valor PRESET activará la salida TS. El contacto RESET hace que el valor del acumulador vuelva a 0, en caso de no existir, colocar un 0 en la entrada TIME es equivalente al RESET. Fig. 1. Fig. 2. TMR Tx Kx Esquema temporizador en formato RLL Contador: cuenta el número de contactos producidos en la entrada COUNT. Los contadores pueden contar hacia arriba: 0, 1, 2... ó hacia abajo 10, 9, 8, 7... El valor de la cuenta actual se almacena en el acumulador ACCUM. El valor del acumulador se hace 0 si el contacto RESET se cierra. El contador cuenta hasta un valor de PRESET, y cuando lo alcanza activará la salida CU. CTR CTx Kx Esquema contador en formato RLL Cuál es la diferencia entre programación ON-LINE y OFF-LINE? La programación ON-LINE permite modificar y monitorear secuencias del programa y sus datos mientras el procesador del PLC se encuentra activado y en modo RUN. La programación OFF-LINE permite desarrollar y modificar programas sin necesidad de estar conectado al procesador del PLC. Cómo se pueden traspasar programas OFF-LINE a ON- LINE? Cuando el programa se encuentra listo, se puede transferir la información al PLC que luego puede comenzar la ejecución del programa y permitir monitoreo y programación ON-LINE. Cómo son ejecutados los programas en un PLC? De forma secuencial, se avanza línea a línea ejecutando la acción hasta completar la tarea a través del ciclo Fetch- Execute. A qué se denomina Fetch-Execute Cycle, y cómo puede calcularse? El ciclo Fetch-Execute consisten en que al encender el equipo, el procesador lee la primera palabra de código (instrucción) almacenada en memoria y la ejecuta. Una vez que termina de ejecutar la instrucción leída, busca en memoria la siguiente instrucción y así sucesivamente hasta que se completa la tarea. Se calcula según pulsos de clock para cada etapa: 1) Fetch de instruction: T 0 -T 1 2) Decode the instruction: T 2 3) Read the efective address: T 3 4) Execute de instruction: T 3 -T 6 Cuál es la ventaja de utilizar Stage Programming? La creación de programas es más fácil y su mantención más simple en comparación con RLL, sobretodo cuando se desarrollan programas a partir de diagramas de estado. III. CONTROL DE LA MARCHA DE UN MOTOR ELÉCTRICO Se requiere desarrollar una solución que permita el control de un motor, el cual puede girar indefinidamente en sentido directo, pero solo hasta 60 segundos continuamente en sentido inverso. Primero se definen las variables que se utilizarán en dicha solución: X 0 : ON-OFF X 1 : Partida en sentido directo X 2 : Partida en reversa Y 1 : Motor girando en sentido directo Y 2 : Motor girando en reversa Tenemos entonces que la condición para que el motor funcione en sentido directo es que se encuentre encendido (X 0 =1), se requiera una partida en directo (X 1 =1) o se encuentre ya girando en sentido directo (Y 1 =1) y no se esté solicitando una partida en reversa (X 2 =0). Se interrumpirá entonces el funcionamiento en directa (Y 1 =0) al solicitar una partida en reversa (X 2 =1). Según lo descrito, Y 1 puede ser definido por: Y 1 =X 0 *(X 1 +Y 1 )*X 2 Las condiciones para que el motor funcione en reversa son análogas a las anteriores, siendo que se encuentre encendido (X 0 =1), que se requiera una partida en reversa (X 2 =1) o ya se encuentre girando en reversa (Y 2 =1), que no se esté solicitando una partida en directa (X 1 =0), más una condición para el tiempo.

3 IEE2682 LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO 3 Esta condición para el tiempo se obtiene a través de un timer, con su constante fijada en K600 en cuya entrada tiene la salida Y 2. Cuando esta se active, es decir, cuando el motor comience a funcionar en reversa, el timer contara hasta 600 (6 segundos), cuando llegue a este valor su salida se activará (T 0 =1) y este valor se copiará a la variable auxiliar C 1 (C 1 =1). Por lo tanto, se agrega la condición para el funcionamiento del motor en reversa de que la variable auxiliar no se encuentre activada (C 1 =0). Al igual que en el caso anterior, el funcionamiento en reversa se interrumpirá cuando se solicite directa (X 1 =1), pero también se interrumpirá cuando se haya cumplido el tiempo límite de 60 segundos (C 1 =1), volviendo a estado de reposo. Al interrumpir el funcionamiento en reversa, también hará que la entrada del temer sea 0 (Y 2 =0), con lo que se hará reset sobre el timer, dejando su salida T 0 =0, y por lo tanto C 1 =0, con lo que podrá volver a activarse nuevamente la reversa. Entonces, según lo descrito: Y 2 =X 0 *(X 2 +Y 2 )*X 1 *C 1 Al igual que todos los programas, se termina con un bloque END. A partir del análisis anterior se puede deducir que el programa descrito por el diagrama propuesto en el enunciado de la experiencia no funciona correctamente debido a que no es posible cambiar del funcionamiento de una dirección a otro. Asumiendo que al comenzar se activa el funcionamiento en directa (X 1 =1), si luego se quiere activar el funcionamiento en reversa se activara X 2 (X 2 =1), pero nada hará que se detenga el funcionamiento en directa por lo que Y 1 permanecerá con valor 1 y, en consecuencia, Y 2 nunca podrá activarse. En el caso de que al comenzar se active el funcionamiento en reversa, deberá esperarse a que pase el tiempo de funcionamiento (T 0 =C 1 =1) para que se desactive la reversa (Y 2 =0) y se pueda hacer funcionar la máquina en directa. Se presenta el diagrama de estados en la Fig.3. En la Fig.4 se presenta el diagrama RLL que implementa a este diagrama de estados. Los estados se definen como: 0: motor detenido 1: motor en sentido directo 2: motor en reversa Fig Diagrama de estados control de motor DC X0 X1 X2 Y1 X0 X2 X1 C1 Y2 Y2 T0 Y1 Y2 TMR T0 K600 C1 END Las entradas se encuentran definidas de la forma X 0,X 1,X 2 y C 1. Fig. 4. Diagrama RLL control de motor DC IV. CONTROL DE TRÁFICO EN UNA INTERSECCIÓN A. Diseño Como el encendido y apagado de semáforos se hace con reglas sobre intervalos de tiempo es necesario utilizar Timers, en este caso particular, como se tiene 2 tipos de de tráfico (tráfico bajo y tráfico alto) utilizamos 2 Timers independientes para cada caso (T0 tráfico bajo, T1 tráfico alto). Como el tipo de tráfico depende del numero de autos en la fila, utilizamos 1 contador por calle en la intersección (CT3 y CT4), estos contadores nos indican cuando el número de autos en la cola alcanza el valor de 6. Cuando este evento se gatilla en cualquiera de los dos contadores, el tráfico pasa a ser alto (variable auxiliar C4 = 1), en caso contrario el tráfico es bajo (C4 = 0). Las reglas para encender una luz verde, roja o amarilla en cada semáforo están determinadas por condiciones de igualdad y desigualdad entera sobre el registro que lleva el tiempo en los Timers (TA0 y TA1), utilizando la variable auxiliar que nos indica el flujo (C4) elegimos que Timer y que reglas de igualdad/desigualdad se utilizan para encender cada luz. Cuando se presiona el botón de paso de ambulancia, se verifica que el semáforo de la calle sentido N-S este en rojo, si esto ocurre se cambia el valor del registro del Timer en uso para que automáticamente el semáforo de la calle sentido E-O pase a amarillo, luego, en el próximo segundo la calle N-S pasara a verde. Finalmente, se nos pide que los autos vayan dejando la cola en intervalos de 3 segundos mientras su semáforo este en verde, para esto se implementó un Timer por calle (Timers

4 IEE2682 LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO 4 T3 y T4), los cuales se activan cada 3 segundos mientras el semáforo respectivo este en verde y existen autos en la cola, utilizando una regla de igualdad/desigualdad sobre el registro de tiempo de estos Timer se prende la luz de cruce el primer segundo de la cuenta. Utilizando los intervalos de tiempo que se especifican en los requerimientos se identificaron los estados presentes en la Fig.5, los que básicamente representan las diferentes combinaciones de luces para los semáforos en ambas calles, estos estados son independientes del tipo de tráfico pues este se actualiza de forma combinacional. El tipo de tráfico es una variable que entra en juego al definir la transición entre estados. En el diagrama se detalla las reglas para saltar de un estado a otro, todas estas reglas son del tipo: Si no existe cola saltar al estado siguiente si T 0 i1 y T 0 <i1. Si existe cola saltar al estado siguiente si T 1 i1 0 y T 1 <i1 0. Además, se especifica los casos en que existe un salto de estado por la llegada de una ambulancia. En el diagrama también se detalla el circuito combinacional que determina el tipo de flujo. Como el comportamiento de la cola (forma de salida y encendido de la luz) se ejecuta en forma paralela y no representa parte de los estados, fue omitido deliberadamente en el diagrama. Para crear el diagrama RLL se siguió una estrategia de diseño Top-Down definiendo el comportamiento de semáforos más general y agregando las excepciones con posteridad, debido a la simpleza del programa. Para problemas más complejos, un diseño de este tipo no es el más recomendado, pues puede ser necesario comprender mejor y antes los casos excepcionales para el desarrollo de un modelo coherente. B. Diagrama RLL En diagrama RLL del programa desarrollado se encuentra adjunto en los anexos, a continuación se explica de forma general el funcionamiento de cada línea de secuencia identificada en el diagrama (utilizando su respectivo número, el cual aparece a la izquierda del diagrama). 2y7: Se establece que el Timer 0 funcione si el tráfico es bajo y el Timer 1 funcione si el tráfico es alto (variable auxiliar C4). 12, 20, 32, 40, 52 y 64: Se establece las condiciones bajo las cuales se prende cada luz en ambos semáforos con reglas de igualdad y desigualdad sobre el registro de tiempo de ambos Timer y utilizando la variable auxiliar C4 para determinar que regla utilizar. 76: Cuando se presiona X3 y el semáforo de la calle N- S esta en rojo, se cambia el registro de tiempo de los Timers para que el semáforo E-O pase a amarillo. 82 y 89: Se establece la forma de incremento y disminución de las filas de cada calle. 98: Se define el estado del tráfico si es que cualquiera de los dos contadores es mayor o igual a y 110: Se establece el conteo de los Timers que determinan el tiempo de cruce un auto si es que el semáforo respectivo esta en verde y existen autos en la cola. 119 y 134: Se resetean los Timers cuando llegan a la cota superior. 124 y 129: Se encienden las luces de cruce cuando los Timers T3 y T4 tienen su registro de tiempo entre 0 y 1 segundo. V. CONCLUSIONES Luego de realizada la experiencia, presentamos, a nuestro juicio, las conclusiones más relevantes: A través de esta experiencia podemos notar la facilidad con la que se pueden crear programas de control simples a través del sistema ladder. Más aún, la verificación de su funcionamiento también es muy simple debido al monitoreo en tiempo real que permite el software, indicando valores de variables constantemente y mostrando las entradas y salidas activas, lo que permite tener feedback inmediato del funcionamiento del programa y lograr un análisis depurado de su funcionamiento, para poder prevenir errores o corregirlos. El desarrollo de los PLC como una herramienta que no está enfocada a la solución de un problema en específico como lo eran los sistemas de control basados en relés permite al operador de control poder adaptar una solución de manera simple a la situación que requiera controlar. Es esta falta de especificidad la que hace que los PLC abarquen un amplio espectro de las tareas de control del ámbito industrial actual y que además, sigan asegurándose un lugar a futuro. Es por esto que tener un acercamiento a su funcionamiento mediante la resolución de problemas que requieren de su uso nos parece una herramienta muy útil y que nos permite considerar los PLC como alternativas totalmente viables y reales de solución a diversos problemas de control con un nivel de complejidad y costos abordables y conocer con una mayor profundidad un dispositivo totalmente utilizado actualmente. Es importante el conocimiento de la labor de los distintos bloques que se pueden utilizar en la programación de un PLC y de su forma de operación, ya que muchas veces el simple desconocimiento de la existencia de alguno de ellos puede llevar a realizar muchas más operaciones de las debidas complicando innecesariamente la solución al problema. También el errado conocimiento del funcionamiento de dichos bloques puede conducir a errores si es que uno asume que el bloque funciona de tal manera, y acá, nuevamente es relevante destacar la importancia de las posibilidades de debug online que ofrece el software y que permiten detectar estos errores. Pero una solución más efectiva para este caso que estar de cierta forma bajo la lógica del ensayo y error, es consultar previamente los manuales de los dispositivos a utilizar y así tener un cabal conocimiento de la implementación en específico del bloque que se desee usar.

5 IEE2682 LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO 5 TIMER 1 T1 TIMER 2 T2!cola(T1 0 & T1 < 5) +cola( T2 0 & T2 < 10)!cola(T1 5 & T1 < 6) +cola( T2 10 & T2 < 11)!cola(T & T1 < 12) +cola( T & T2 < 21)!cola(T1 6 & T1 < 6.5) +cola( T2 11 & T2 < 11.5) X3 = 1 X3 = 1!cola(T & T1 < 11.5) +cola( T & T2 < 20.5)!cola(T1 6.5 & T1 < 10.5) +cola( T & T2 < 19.5) COUNTER 1 C1 COUNTER 2 C2 Circuito combinacional C1 6 o Cola = 1 C2 6 Si T1 = 12 T1 = 0 Si T2 = 21 T2 = 0 Fig. 5. Diagrama de estado de control de tráfico en una intersección REFERENCIAS [1] D.Mery, Apuntes del curso Controladores Lógicos Programables. [2] Manual del Usuario DL-205. [3] Manual del Usuario DirectSOFT.

6 ANEXOS 2 X0 C4 TMR T1 K210 7 X0 C4 TMR T0 K TA0 K50 C4 TA1 K100 C4 Y0 20 TA0 K50 TA0 K60 C4 TA1 K100 TA1 K110 C4 Y1 32 TA0 K60 C4 TA1 K110 C4 Y2 40 TA0 K65 C4 Y5 TA0 K115 TA1 K115 C4 TA1 K TA0 K65 TA0 K105 C4 TA1 K115 TA1 K195 C4 Y3 64 TA0 K105 TA0 K115 C4 TA1 K195 TA1 K205 C4 Y4

7 76 X3 Y2 LD LD K105 TA0 K195 TA1 82 X1 UDC CT4 K6 TA4 K1 X0 89 X2 UDC CT3 K6 TA3 K1 X0 98 CT4 CT1 C4 101 Y0 CTA4 K1 T4 TMR T4 K30 TA4 K1 110 Y3 CTA3 K1 T3 TMR T3 K30 TA3 K1 119 TA0 K120 C4 LD K0 TA0 124 TA4 K1 TA4 K10 Y6

8 129 TA3 K1 TA3 K10 Y7 134 TA1 K210 C4 LD K0 TA1 139 END