PARTE 1 - FUNDAMENTOS DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES 1. Introducción a los Controladores Lógicos... 3

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1 Índice General PARTE 1 - FUNDAMENTOS DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES 1. Introducción a los Controladores Lógicos Conceptos generales Controladores lógicos sin unidad operativa Controladores lógicos combinacionales Controladores lógicos combinacionales cableados Controladores lógicos combinacionales programables Controladores lógicos secuenciales Introducción Controladores lógicos secuenciales síncronos Conceptos básicos Especificación de los controladores lógicos secuenciales síncronos Controladores lógicos secuenciales síncronos cableados Controladores lógicos secuenciales síncronos programables de arquitectura fija Controladores lógicos secuenciales síncronos programables de arquitectura configurable Controladores lógicos con unidad operativa Introducción Autómatas programables con una unidad lógica Introducción Conceptos básicos Unidades de entrada y salida...40 Unidad Central Autómatas programables con instrucciones de carga y memorización o salida Autómata Programable con instrucciones de salto condicional Autómata Programable con instrucciones de inhibición y desinhibición Síntesis de sistemas digitales mediante autómatas programables realizados con una unidad lógica Síntesis de sistemas combinacionales Síntesis de sistemas secuenciales caracterizados por flancos Autómatas programables basados en un computador Introducción Características generales de los computadores Características de los autómatas programables basados en un computador Características generales Recursos físicos (hardware) y de programación (software)...80 Bibliografía...99 XVIII

2 PARTE 2 - SISTEMAS DE PROGRAMACIÓN DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES 2. Sistema STEP7 de programación de autómatas programables Introducción Características generales de STEP Tipos de datos Unidades de organización del programa Variables Lenguaje de lista de instrucciones (AWL) de STEP Conceptos generales Identificación de variables Instrucciones Instrucciones que operan con variables lógicas Introducción Instrucciones de selección, de entrada y salida o de operación Instrucciones sin paréntesis Instrucciones con paréntesis Instrucciones de memorización Instrucciones que operan con flancos Instrucciones que operan con combinaciones binarias Introducción Instrucciones de carga y transferencia Instrucciones aritméticas Instrucciones de comparación Instrucciones de conversión Instrucciones de desplazamiento y rotación Instrucciones lógicas con combinaciones binarias Instrucciones de temporización Instrucciones de contaje Instrucciones de control del programa Instrucciones de salto Instrucciones de control de bloque Instrucciones de control de la ejecución de un grupo de instrucciones Lenguaje de esquema de contactos (KOP) de STEP Conceptos generales Identificación de variables Operaciones con contactos Operaciones lógicas Operaciones de memorización Operación de inversión XIX

3 2.4.4 Operaciones con contactos y bloques Operaciones con flancos Operaciones de temporización Operaciones de contaje Lenguaje de diagrama de funciones (FUP) de STEP Conceptos generales Identificación de variables Operaciones lógicas Operaciones de memorización Operaciones con flancos Operaciones de temporización Operaciones de contaje Lenguaje de diagrama funcional de secuencias (S7-GRAPH) de STEP Bibliografía Sistema normalizado IEC de programación de autómatas programables Introducción Características generales del sistema normalizado IEC Tipos de datos Unidades de organización del programa de un proyecto Subprogramas Funciones Bloques funcionales Variables Lenguaje normalizado de lista de instrucciones Conceptos generales Identificación de variables Instrucciones Instrucciones que operan con variables lógicas Introducción Instrucciones de selección, de entrada y salida o de operación Instrucciones de memorización Instrucciones que operan con flancos Instrucciones que operan con combinaciones binarias Introducción Instrucciones de selección Instrucciones aritméticas Instrucciones de comparación Instrucciones lógicas con combinaciones binarias XX

4 3.3.6 Instrucciones de control Instrucciones de salto Instrucciones de llamada y retorno de módulo Funciones Bloques funcionales Introducción Bloques funcionales de memorización Bloques funcionales de detección de flanco Bloques funcionales temporizadores Bloques funcionales contadores Bloques funcionales de usuario Lenguaje normalizado de esquema de contactos Conceptos generales Identificación de variables Operaciones con contactos Operaciones lógicas Operaciones de memorización Operaciones con flancos Bloques funcionales Bloques funcionales normalizados Bloques funcionales de usuario Funciones Lenguaje normalizado de diagrama de funciones Conceptos generales Identificación de variables Operaciones lógicas Bloques funcionales Lenguaje normalizado de diagrama funcional de secuencias Relación entre el sistema STEP7 y el sistema normalizado IEC Bibliografía PARTE 3 - SISTEMAS DE CONTROL IMPLEMENTADOS CON AUTÓMATAS PROGRAMABLES 4. Fundamentos de los Sistemas Electrónicos de Control Introducción Clasificación y fundamentos de los sistemas electrónicos de control Clasificación de los sistemas electrónicos de control según la forma de controlar el proceso Clasificación de los sistemas electrónicos de control según el tipo de variables de entrada XXI

5 Introducción Sistemas de control lógico Sistemas de control de procesos continuos Introducción y clasificación Clasificación de los sistemas de control de procesos según el tipo de señales internas Clasificación de los sistemas de control de procesos según el algoritmo de control Clasificación de los sistemas electrónicos de control según la estructura organizativa Clasificación de los sistemas electrónicos de control según el nivel de riesgo Bibliografía Diseño de sistemas de control lógico con autómatas programables Introducción Herramientas de diseño asistido por computador de los sistemas electrónicos de control lógico basados en autómatas programables Introducción Administración de un proyecto STEP Recursos y requisitos necesarios para desarrollar un programa en STEP Métodos clásicos de diseño del programa de control Diseño de sistemas combinacionales con un autómata programable Diseño de sistemas de control lógico secuencial implementados con un autómata programable Método de diseño basado en la emulación de biestables RS Método del algoritmo compacto de emulación del diagrama de estados Métodos de diseño de sistemas complejos de control lógico secuencial Método de diseño basado en la partición del algoritmo en fases Método de diseño basado en el diagrama funcional de secuencias Introducción Conceptos básicos del lenguaje S7-GRAPH Reglas de evolución del lenguaje S7-GRAPH Operaciones permanentes Conceptos avanzados de S7-GRAPH Denominación de las etapas Acciones asociadas a etapas Supervisión de la evolución entre etapas Eventos y acciones asociadas Acciones para activar y desactivar otras etapas Transiciones condicionadas por etapas o por otras transiciones Temporizadores, contadores y operaciones aritméticas en acciones XXII

6 Integración de cadenas secuenciales programadas en S7-GRAPH Ejemplos de diseño de sistemas de control lógico mediante el lenguaje S7-GRAPH Ejemplos tipo de sistemas de automatización diseñados con S7-GRAPH Comparación del método de diseño basado en S7-GRAPH y el del diagrama de partición en fases Bibliografía Control de procesos mediante autómatas programables Introducción Controladores no lineales intermitentes Conceptos generales Controlador todo-nada básico Controlador todo-nada de dos posiciones Controlador todo-nada con histéresis Controlador todo-nada con zona muerta Controlador todo-nada multiposición Controlador intermitente proporcional en el tiempo Controladores lineales continuos Introducción Controlador continuo Proporcional Controlador continuo Proporcional, Integral, Derivativo (PID) Introducción Acción de control Integral Acción de control Derivativa Combinación de las acciones Proporcional, Integral y Derivativa (PID) Elección del algoritmo de control Ajuste empírico de controladores PID Introducción Métodos empíricos de ajuste con identificación en bucle abierto Introducción Método de Ziegler-Nichols con identificación en bucle abierto Método de Cohen y Coon Método de Chien, Hrones y Reswick (CHR) Métodos empíricos de ajuste con identificación en bucle cerrado Método de Prueba y error Método de Ziegler-Nichols con identificación en bucle cerrado Método del relé de Åström y Hägglund Métodos de ajuste basados en modelos matemáticos Implementación del control continuo PID mediante un autómata programable XXIII

7 Introducción Bloques funcionales y lenguajes Lenguaje CFC de descripción de sistemas de control de procesos continuos 411 Bibliografía PARTE 4 - ENTORNO DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES 7. Sensores Industriales Introducción Características de los sensores industriales Introducción Clasificación de los sensores industriales según el principio de funcionamiento del elemento sensor Clasificación de los sensores según el tipo de señal eléctrica que generan Sensores analógicos Sensores digitales Sensores temporales Clasificación de los sensores según el rango de valores Clasificación de los sensores industriales según el modo de operación Clasificación de los sistemas sensores según la función de transferencia Clasificación de los sistemas sensores según el nivel de integración Clasificación de los sensores según la variable física medida Características de entrada de los sensores industriales Campo o rango de medida Forma de variación de la magnitud de entrada Características eléctricas Características eléctricas de salida Sensores de salida analógica Sensores de salida digital Sensores de salida todo-nada Sensores de salida temporal Características de alimentación Características de aislamiento Características mecánicas Conceptos generales Grado de protección ambiental de los sensores industriales Características de funcionamiento Introducción Características estáticas XXIV

8 Exactitud Precisión, repetibilidad y reproducibilidad Calibración Histéresis Linealidad Mínimo valor medible o umbral Resolución Sensibilidad Características dinámicas Introducción Respuesta en frecuencia Tiempo de respuesta Tiempo de subida Constante de tiempo Amortiguamiento o sobreoscilación ( V) Características ambientales Efectos térmicos Efectos de la aceleración y las vibraciones Efectos de la presión ambiental Efectos de las perturbaciones eléctricas Otros efectos Características de fiabilidad Sensores industriales de aplicación general en procesos de fabricación Introducción Sensores detectores de objetos Introducción Sensores de proximidad con contacto Introducción Finales de carrera Microrruptores Sensores de proximidad sin contacto Conceptos generales Símbolos normalizados Sensores optoelectrónicos de proximidad Introducción Características constructivas de las fotocélulas Características técnicas de las fotocélulas Sensores optoelectrónicos de proximidad de barrera de luz Sensores optoelectrónicos de proximidad de reflexión sobre espejo Sensores optoelectrónicos de proximidad de reflexión sobre objeto Fotocélulas de fibra óptica Sensores magnéticos de proximidad Sensores inductivos de proximidad XXV

9 Conceptos generales Tipos de sensores inductivos de proximidad Campo de trabajo Características técnicas Normas de instalación Sensores capacitivos de proximidad Conceptos generales Tipos de sensores capacitivos de proximidad Campo de trabajo Características técnicas Normas de instalación Sensores ultrasónicos de proximidad Introducción Ultrasonidos Sensores ultrasónicos de barrera Sensores ultrasónicos detectores de eco Sensores de medida de distancias Introducción Codificadores optoelectrónicos de posición Transformador diferencial variable lineal Bibliografía Interfaces de entrada y salida Introducción y clasificación Interfaz de conexión con el proceso Introducción Interfaces de conexión con el proceso de aplicación general Introducción Interfaces de variables todo-nada Interfaces de variables analógicas Interfaz de variables de entrada todo-nada sin aislamiento galvánico Interfaz de variables de entrada todo-nada con aislamiento galvánico Introducción Interfaces de variables de entrada todo-nada con aislamiento galvánico y alimentación en continua Interfaz de variables de entrada todo-nada con aislamiento galvánico y alimentación en alterna Interfaces de variables de salida todo-nada con alimentaciónen continua Clasificación y descripción Protección de las salidas todo-nada Interfaces de variables analógicas de entrada Interfaces de variables analógicas de salida Interfaces de conexión con el proceso de aplicación específica Unidades de entrada de medida de temperatura Unidades de entrada de contaje XXVI

10 Unidades de entrada/salida remotas Unidades de posicionamiento Unidades de regulación Interfaces de conexión autómata-usuario Unidades de programación Equipos de interfaz máquina-usuario Introducción Características de los equipos HMI Sistemas de supervisión y adquisición de datos (SCADA) Bibliografía El autómata programable y las Comunicaciones Industriales Introducción El computador y el ciclo del proceso de un producto Conceptos generales Diseño asistido por computador Ingeniería asistida por computador Fabricación asistida por computador Introducción Clases de automatización y sus características Automatización fija Automatización programable Automatización flexible Automatización integrada Planificación de los productos a fabricar Sistemas electrónicos de control Sistemas de control numérico Autómatas Programables Computadores industriales Sistemas electrónicos de control de procesos continuos Sistemas CAD-CAM Sistemas de manipulación de elementos Introducción Conceptos básicos de los robots y clasificación de los mismos Sistemas de fabricación flexible Módulo de fabricación flexible Célula de fabricación flexible Línea de fabricación flexible Taller flexible Fabricación integrada por computador. Pirámide CIM Introducción Implantación del modelo CIM Comunicaciones Industriales XXVII

11 9.3.1 Introducción Redes de Comunicaciones Industriales Clasificación de las redes de Comunicaciones Industriales Redes de datos Redes de empresa y de fábrica Redes de célula Redes de control Conceptos generales Redes de controladores Redes de sensores-actuadores Familias de redes industriales Redes Ethernet Industrial Introducción Tipos de redes Ethernet Industrial El autómata programable y las Comunicaciones Industriales Introducción Comunicación entre el autómata programable y los dispositivos de campo Comunicación entre autómatas programables y otros sistemas electrónicos de control Diseño e implantación de sistemas de control distribuido basados en autómatas programables Introducción Metodología de diseño de sistemas de control distribuido Bibliografía PARTE 5 - GARANTÍA DE FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE CONTROL 10. Confiabilidad de los Sistemas Electrónicos de Control Introducción Sistemas electrónicos independientes de seguridad Definición y descripción Módulos de seguridad Sensores de seguridad Sensores de proximidad de seguridad de actuación mecánica Sensores magnéticos de posición de seguridad Sensores optoelectrónicos de seguridad detectores de objetos Confiabilidad de los autómatas programables Introducción Confiabilidad de los autómatas programables de aplicación general XXVIII

12 Introducción Recursos internos de diagnóstico Circuito de vigilancia Circuito de comprobación de la batería Entradas de seguridad Instrucciones del tipo MCR Instrucciones de acceso a la periferia Recursos externos de diagnóstico Seguridad de las entradas Seguridad de las salidas Seguridad ante sabotajes (Security) Autómatas programables de elevada confiabilidad Conceptos generales Autómatas programables de seguridad Autómatas programables de elevada disponibilidad Bibliografía Apéndice 1 - Comunicaciones digitales A1.1 Introducción A1.2 Conceptos básicos de las comunicaciones digitales punto a punto A1.2.1 Modos o métodos de transmisión de las señales A1.2.2 Modos de comunicación A1.2.3 Modos de sincronización A Transmisión asíncrona A Transmisión síncrona A Transmisión isócrona A1.2.4 Métodos de detección de errores A Detección de errores en la transmisión asíncrona A Detección de errores en la transmisión síncrona A1.2.5 Medios de transmisión A Introducción A Conductores A Cable coaxial A Fibra óptica A La atmósfera A1.2.6 Características mecánicas y eléctricas de las conexiones A1.2.7 Normalización de las comunicaciones punto a punto A Bucle de corriente A Norma RS A Norma RS A Norma RS A Norma RS A Norma USB XXIX

13 A1.3 Redes informáticas A1.3.1 Introducción A1.3.2 Modelos de interconexión de sistemas informáticos A1.3.3 Conceptos específicos de las redes de datos A Clasificación de las redes de datos de acuerdo con la topología A Topología de canales independientes A Topología en estrella A Topología en bus A Topología en árbol A Topología en anillo A Topologías híbridas A Clasificación de las redes informáticas de acuerdo con la extensión A Redes de área local A Conceptos generales A Redes de área local descentralizadas A Redes de área local principal/subordinado A Redes de área local proveedor/consumidor A Redes de área extensa A Introducción A Redes TCP/IP A1.3.4 Interconexión de redes A1.3.5 Redes de área local conmutadas A Introducción A Red Ethernet conmutada A1.4 Infocomunicaciones A1.4.1 Introducción A1.4.2 Aplicaciones de las Infocomunicaciones A Aplicaciones generales de las Infocomunicaciones A Aplicaciones sectoriales de las Infocomunicaciones Bibliografía Apéndice 2 - Red AS-i de sensores-actuadores A2.1 Introducción A2.2 Características generales A2.3 Capa física de la red AS-i A2.3.1 Cable de conexión AS-i A2.3.2 Método de conexión AS-i A2.3.3 Proceso de modulación de la señal A2.4 Capa de enlace de la red AS-i A2.4.1 Control de acceso al medio XXX

14 A2.4.2 Control Lógico A Identificación de los subordinados A Parametrización de los subordinados A Funcionamiento del procesador de comunicaciones principal A Funciones básicas A Modos de funcionamiento A Etapas de funcionamiento A Formato de los mensajes A Órdenes del protocolo de enlace de la red AS-i A2.5 Capa de aplicación de la red AS-i A2.6 Componentes de una red AS-i A2.6.1 Fuente de alimentación AS-i A2.6.2 Módulos de conexión A2.6.3 Módulos de usuario A2.6.4 Sensores/Actuadores con circuito integrado AS-i A2.6.5 Módulo principal A2.6.6 Módulos Pasarela AS-i Bibliografía Apéndice 3 - Familia de redes de campo PROFIBUS A3.1 Introducción A3.2 Características generales A3.3 Red PROFIBUS-DP A3.3.1 Características generales A3.3.2 Capa física de la red PROFIBUS-DP A Medio de transmisión A Método de codificación de las señales A3.3.3 Capa de enlace de PROFIBUS-DP A Control de acceso al medio A Control lógico A Formato de los mensajes A Servicios de transferencia de datos A Funcionamiento de los procesadores de comunicaciones A Tratamiento de los errores de transmisión A3.3.4 Capa de aplicación de la red PROFIBUS-DP A3.4 Red PROFIBUS-PA A3.5 Red PROFIBUS-FMS A3.6 Principales elementos de una red PROFIBUS A3.6.1 Unidades de entrada-salida remota XXXI

15 A3.6.2 Sensores/Actuadores con recursos de comunicación PROFIBUS integrados A3.6.3 Módulos principales PROFIBUS A3.6.4 Módulos pasarela PROFIBUS A3.6.5 Repetidores y módulos de enlace PROFIBUS A3.7 Comparación de las redes PROFIBUS y AS-i Bibliografía Apéndice 4 - Red Industrial Universal Profinet A4.1 Introducción A4.2 Topología de Profinet A4.3 Sistemas tecnológicos de Profinet A4.3.1 Introducción A4.3.2 Profinet IO A4.3.3 Profinet CBA A4.4 Compatibilidad entre Profinet y PROFIBUS Bibliografía Apéndice 5 - Confiabilidad de los Sistemas Electrónicos A5.1 Introducción A5.2 Conceptos relacionados con el funcionamiento de un sistema A5.2.1 Conceptos básicos relativos a la confiabilidad A Imperfecciones de un sistema y sus consecuencias A Atributos de un sistema en relación con la confiabilidad A Fiabilidad A Disponibilidad A Mantenibilidad A Seguridad A Nivel de comportamiento A Predecibilidad A Protección de la propiedad intelectual A Verificabilidad A5.2.2 Conceptos relativos a la implementación de los sistemas de elevada confiabilidad A Métodos de realización de sistemas para proporcionar elevada confiabilidad A Prevención de fallos A Enmascaramiento de fallos XXXII

16 A Control de fallos A Métodos para comprobar y reparar los sistemas de elevada confiabilidad A5.2.3 Clasificación de los sistemas de elevada confiabilidad A Sistemas de aplicación general de elevadas prestaciones A Sistemas utilizados en aplicaciones peligrosas A Sistemas de elevada disponibilidad A Sistemas de prolongada vida útil A5.3 Verificación de los sistemas A5.3.1 Introducción A5.3.2 Verificación estática A5.3.3 Verificación dinámica A5.3.4 Verificación externa A5.3.5 Autoverificación A5.4 Tolerancia a fallos de los sistemas A5.4.1 Introducción A5.4.2 Clasificación de los sistemas tolerantes a fallos de acuerdo con la redundancia A Tipo de elemento redundante A Cantidad de redundancia A Estrategia de utilización de la redundancia A5.5 Los sistemas electrónicos y la seguridad ante averías (Safety) A5.5.1 Introducción A5.5.2 Clasificación de los sistemas electrónicos en relación con la seguridad ante averías A Introducción A Sistemas electrónicos independientes de seguridad A Sistemas electrónicos de control seguros ante averías (Fail-safe systems) A Sistemas electrónicos de control seguros ante averías y de elevada disponibilidad A Normas relativas a los sistemas de seguridad A Introducción A Norma EN A Norma IEC A Norma ANSI/ISA A Norma MIL-STD-882D A Comparación de las normas IEC y EN Bibliografía XXXIII

17 Apéndice 6 Acrónimos y abreviaturas utilizados en control lógico, control de procesos, sensores industriales, comunicaciones digitales, Comunicaciones Industriales y seguridad Apéndice 7 Propuesta de equivalencias entre el inglés y el castellano de términos utilizados en control lógico, control de procesos, sensores industriales, comunicaciones digitales, Comunicaciones Industriales y seguridad XXXIV