TUTORIAL AUTÓMATAS PROGRAMABLES P.L.C

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1 TUTORIAL AUTÓMATAS PROGRAMABLES P.L.C 1

2 0. INTRODUCCION.- Desde hace una serie de años, el autómata programable se viene implantando en las industrias mas variadas, realizando tareas que se extienden a la mayoría de las áreas desde la maquina mas simple hasta el proceso mas evolucionado. Los autómatas programables aparecieron en los Estados Unidos en los años 1969/70, y mas particularmente en el sector de la industria del automóvil; fueron empleados en Europa alrededor de dos años después. Su fecha de creación coincide, pues, con el comienzo de la era del microprocesador y con la generalización de la lógica cableada modular. Las amplias ventajas de todo tipo que ofrece respecto a la lógica cableada lo convierte en elemento imprescindible en el campo de la automatización industrial. Para llegar a programar correctamente un autómata se hace necesario el conocimiento de los circuitos de lógica cableada mas elementales, sobre todo cuando se utilizan determinados lenguajes. Es por lo que en este curso se dedica una primera parte orientada en este sentido y que facilitara el avanzar en la segunda parte en el conocimiento y programación de este elemento. 1. AUTOMATA PROGRAMABLE.- A mediados de la década de los 60 la empresa General Motors, preocupada por los costes elevados que implicaban los sistemas de control a base de relés debido a los tiempos de parada por averías y a su poca flexibilidad para adaptarse a las necesidades de producción de nuevos modelos, estaba trabajando con la empresa Digital Corporation C. para obtener un sistema de control que respondiera a los siguientes requerimientos: Debía emplear electrónica estática. Adaptación al medio industrial, es decir, a las condiciones ambientales del taller de producción. Debían ser programables en un lenguaje asequible al personal de operación y de mantenimiento de la planta. De fácil mantenimiento. Debían ser reutilizables. Así se desarrollo este producto. Fue R.E. Moreley, considerado el "padre" de los Autómatas Programables quien lo realizo. El primer autómata trabajaba con memorias de ferritas, por tanto fácilmente reprogramable. No tardo en extenderse a otras industrias. Este nació como sustituto de los armarios de relés y El Autómata Programable Industrial es un equipo electrónico programable en lenguaje no informatico, diseñado para controlar, en tiempo real y en ambiente industrial, procesos secuenciales. se mostró particularmente adaptado al control en las cadenas de montaje, es decir, en los procesos secuenciales. 2

3 La evolución seguida por el autómata programable se puede sintetizar en las etapas que se describen a continuación: 1). Los primeros equipos aparecen en 1968, emplean memorias de ferritas y un procesador cableado a base de circuitos integrados para construir la Unidad Central. Su aplicación se centra en la sustitución de maniobras de relés que controlan maquinas o procesos típicamente secuenciales (maquinas o líneas de montaje, cadenas de transporte, distribución, y almacenamiento de material). 2). En la primera mitad de los años 70 incorporan la tecnología del microprocesador lo que permite aumentar sus prestaciones: * Incorporación de elementos de interconexión hombre-maquina. * Manipulación de datos. * Operaciones aritméticas. * Comunicación con ordenador. 3). La segunda mitad de la década de los 70 se caracteriza por una constante mejora de prestaciones y el desarrollo de elementos especializados: * Incremento de la capacidad de memoria. * Posibilidad de entradas/salidas (E/S) remotas * E/S analógicas y numéricas. Control de posicionamiento. * Mejoras en el lenguaje de programación (instrucciones potentes). * Desarrollo de las comunicaciones con periféricos y ordenador. 4). En la década de los 80 se han incorporado masivamente los avances en la tecnología de microprocesadores consiguiendo: * Alta velocidad de respuesta (ciclo de ejecución) * Reducción de las dimensiones. * E/S inteligentes (servocontrolados, controladores) * Capacidad de almacenaje de grandes cantidades de datos. * Mejoras en el lenguaje. * Lenguajes alternativos: Lenguajes de bloques funcionales, lenguajes de diagramas de fases (GRAFET), y lenguajes de alto nivel (tipo BASIC). También en estos últimos años han aparecido equipos pequeños y compactos que, junto con la reducción de los precios, ha hecho que la aplicación se extienda a todos los sectores industriales. Los fabricantes han desarrollado familias de productos que comprenden equipos desde 10 entradas/salidas, hasta grandes controladores capaces de gobernar hasta E/S y memorias de 128 K. El campo de aplicación cubre desde el mínimo nivel de automatización de una secuencia de enclavamientos, hasta el control completo de un proceso de producción continua. 2. ESTRUCTURA EXTERNA E INTERNA ESTRUCTURA EXTERNA.- El termino estructura externa o configuración externa de un autómata programable se refiere al aspecto físico exterior del mismo, bloques o elementos en que esta dividido, etc. Desde su nacimiento y hasta nuestros días han sido varias las estructuras y configuraciones que han salido al mercado condicionadas no solo por el fabricante 3

4 del mismo, sino por la tendencia existente en el área al que perteneciese: europea o norteamericana. Actualmente, son dos las estructuras mas significativas que existen en el mercado: * Estructura compacta * Estructura modular La estructura compacta 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 encontraremos que la posibilidad de conexión del mismo será mediante cable y conector. Ver en figura este tipo de estructura. Estructura compacta La estructura modular se divide en módulos o partes del mismo que realizan funciones especificas. Ver figura de esta estructura. Estructura modular 2.2. ESTRUCTURA O ARQUITECTURA INTERNA.- Los autómatas programables se componen esencialmente de tres bloques, tal y como se representa en el siguiente esquema: 4

5 Sección de entradas La unidad central de procesos o CPU Sección de salidas La Sección de entradas, mediante el 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 entres estos y los captadores. La Unidad Central de Proceso 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 las salidas, mediante el interfaz, trabaja de forma inversa a la de entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, las amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o actuadores, como lámparas, relés, contactores, arrancadores, electrovalvulas, etc., aquí también existen unos interfaces de adaptación a las salidas y de protección de circuitos internos. Con las partes descritas podemos decir que tenemos un autómata, pero para que sea operativo son necesarios otros elementos tales como: * La Unidad de alimentación * La Unidad o consola de programación * Los dispositivos periféricos * Interfaces. Ver estos dispositivos en el siguiente esquema. Autómata Programable con sus periféricos y unidad de alimentación La Unidad de alimentación o fuente de alimentación adapta la tensión de red de 220 voltios y 50 Hertzios a la de funcionamiento de los circuitos electrónicos internos del autómata, así como a los dispositivos de entrada: 24 Vcc, por ejemplo. 5

6 La Unidad de programación. Hemos dicho que la CPU elabora las salidas en función de los estados de las entradas y de las instrucciones del programa de usuario, pero, Como accede el usuario al interior de la CPU para cargar en memoria su programa?., la respuesta es mediante la unidad de programación. En los autómatas mas sencillos es un teclado con un display similar a una calculadora que cuando se quiere cargar un programa en la CPU se acopla a esta mediante un cable y un conector, o bien se enchufa directamente en la CPU. Periféricos o equipos periféricos, son aquellos elementos auxiliares, físicamente independientes del autómata, que se unen al mismo para realizar su función especifica y que amplían su campo de aplicación o facilitan su uso. Como tales no intervienen directamente ni en la elaboración ni en la ejecución del programa. Interfaces o interfases, son aquellos circuitos o dispositivos electrónicos que permiten la conexión a la CPU de los elementos periféricos. 3.INSTRUCCIONES. PROGRAMAS Y LENGUAJES INSTRUCCIONES Y PROGRAMAS.- Un programa es una sucesión o lista en un determinado orden de distintas ordenes de trabajo también llamadas instrucciones y capaz de ejercer o ejecutar el autómata la secuencia de trabajo pretendida. La pregunta que se trata de responder, por tanto, va a ser: Que 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 esta dividido en símbolo y parámetro. INSTRUCCION Operación Operando Que? Donde? Símbolo Parámetro La operación es el código (Code) de la instrucción. Puede venir dado como código numérico o cifras (06) o código nemonico (AND). El operando es el complemento al coligo u operación. Mediante el operando indicamos la dirección del elemento de que se trate (contactores, temporizadores, E/S, marcas, o bits internos, etc), así como las contadas, temporizaciones, bits de registro de desplazamiento, etc, etc. En los autómatas mas sencillos el símbolo no aparece, ya que al ser fijas las entradas/salidas y tener asignados numeros distintos unas y otras, al indicarle a la CPU en numero, ya queda determinada, en el caso de las entradas la distinción con las marcas internas, y las salidas con el código de operación. La operación le indica a la CPU que tiene que hacer, o lo que es lo mismo, la clase de instrucción que ha de ejecutar. Ejemplo.- 6

7 AND (Y) : formar una concatenacion serie OR (O) : " " paralelo. OUT (=) : asignar una salida a lo precedente. El operando le indica a la CPU donde debe hacerlo, o lo que es lo mismo, donde debe realizarse esa instrucción. Ejemplos.- E.3.1. Realiza la operación anterior en la entrada E numero 3 del modulo 1. I 01. Realiza la operación anterior en la entrada I numero 1. En estos casos E e I representan el símbolo y los números los parámetros. Cuando se programa, cada instrucción del programa se aloja en una celda o plaza de memoria que están numeradas desde la dirección 0000 hasta el ultimo numero, en función de la capacidad de memoria; en el caso de una memoria de usuario de 1 K palabras las direcciones disponibles serían de 0000 a la Se ha supuesto que cada instrucción ocupa una palabra que, en general, es de 16 bits o 2 bytes, si la instrucción ocupa mas de 2 bytes como ocurre en algunos casos, el numero 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 los que son necesarias dos líneas para alojar una sola instrucción. Para poder elaborar un programa no es suficiente con las instrucciones de mando o de programa, son necesarias otro tipo de instrucciones que reciben el nombre de instrucciones de servicio u ordenes de manejo y por medio de las cuales se consigue la elaboración, análisis y puesta a punto del programa, así como otras posibilidades que en los ejemplos prácticos se verán. Ver el gráfico que se expone a continuación y que refleja la estructura de las instrucciones. 7

8 3.2. EJECUCION DE PROGRAMAS.- El ciclo básico de trabajo en la elaboración del programa por parte de la CPU es la siguiente: Antes de iniciar el ciclo de ejecución, el procesador, a través del bus de datos, consulta el estado 0 o 1 de la señal de cada una de las entradas y las almacena en los registros de la memoria de las 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 a los operandos de las 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 final del ciclo, una vez concluida la elaboración del programa, asigna los estados de las señales de entrada y los de salida a las salidas, ejecutando el estado 0 o 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, del 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. Cuando el autómata se sitúa en ciclo de ejecución o ejecución cíclica, la CPU realiza, entre otras funciones, el barrido del programa contenido en la memoria de usuario, desde la casilla, dirección o línea 0000 hasta la ultima posible, según la capacidad de la misma, esto es, efectúa lo que se denomina ciclo de Scanning. (Ver figura). Ciclo Básico de trabajo de un pcl 8

9 3.3. METODOS DE ANALISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE UN AUTOMATISMO SECUENCIAL.- Varios son los lenguajes o sistemas de programación posibles en los autómatas programables (PLC) (Controlador Lógico Programable)., es por lo que cada fabricante indica las características generales de su equipo, el lenguaje o los lenguajes con los que se puede operar, etc. En general, se podría decir que los lenguajes de programación mas usuales son aquellos que transfieren directamente el esquema de contactos y las ecuaciones lógicas o los logigramas, pero estos no son únicos. Los lenguajes y métodos gráficos mas utilizados son los siguientes: a) ESQUEMAS O DIAGRAMAS ELECTRICOS DE CONTACTOS.- La mayoría de los fabricantes incorporan este lenguaje, ello es debido a la semejanza con los esquemas de relés utilizados en los automatismos eléctricos de lógica cableada, lo que facilita la labor a los técnicos habituados a trabajar con dichos automatismos. b) LOGIGRAMAS O FUNCIONES LOGICAS.- Su semejanza con los símbolos lógicos o puertas lógicas hace también interesante este lenguaje por la facilidad en su representación para los conocedores de la electrónica lógica. c) DIAGRAMAS FUNCIONALES. GRAFCET (Gráfico de Orden Etapa Transición).- Es un método por el cual se describen de una forma gráfica perfectamente inteligible las especificaciones de cualquier automatismo. d) ORGANIGRAMA.- También llamado ordinograma, algoritmo, diagrama de flujo o flujograma, es un sistema de representación que se basa en una serie de figuras geométricas, utilizadas como símbolos, unidas por líneas y que tiene como misión mostrar gráficamente, en nuestro caso, un proceso o problema, así como informar del mismo, esto es, analizar las partes y darles solución. Es muy escasa su utilización en programas de PLC debido a que su complejidad es superior a la de los sistemas anteriores. e) LISTA DE INSTRUCCIONES.- Es un lenguaje en el cual cada instrucción se basa en las definiciones del álgebra de BOOLE o álgebra lógica. Ejemplo AND, OR, OUT, AND, NOT, etc. 9

10 4. METODOS DE ANALISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE UN AUTOMATISMO SECUENCIAL.- 5. CONSIDERACIONES PREVIAS A LA PROGRAMACION.- Antes de acometer los ejemplos prácticos, es necesario tener en cuenta algunas consideraciones que nos facilitaran la labor de programación y que son las siguientes: a).- La programación en cada bloque de contactos se realizara en orden de izquierda a derecha (Ver figura 1 de esquema expuesto a continuación). 10

11 b).- El sentido de programación de los bloques de contactos de un programa se ejecutara en el sentido de arriba a abajo (Ver fig. 2 de esquema expuesto a continuación). c).- El numero 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 practica que podemos encontrarnos es la de la anchura del papel cuando queramos sacar el programa por impresora. En este caso se tendrán en cuenta las especificaciones del fabricante. d).- Al no existir limitación de contactos, es preferible realizar un circuito claro y comprensible con un numero elevado de contactos que uno complicado como consecuencia de reducir el numero de estos. e).- No se puede conectar una salida directamente a la línea principal, en estos casos se intercala un contacto cerrado de una marca o bit interno cualquiera. Esta posibilidad de acceder a contactos abiertos o cerrados fijos, ya que no se utiliza la bobina de dicha marca o relé, es importante tenerla en cuenta en toda programación. (Ver fig. 3 de esquema expuesto a continuación). f).- Después de una salida OUT no se puede colocar contacto alguno. (Fig 4). g).- En algunos autómatas es posible programar dos o mas bobinas de salida, sean exteriores, marcas o bit internos. h).- Contactos de entrada.- El numero de contactos abiertos o cerrados que se pueden utilizar en un programa, por cada una de las entradas, es ilimitado, o sea, que se puede repetir el mismo numero de contacto cuantas veces queramos y tanto abierto como cerrado. i).- Contactos de salida.- El numero de salidas o bobinas de salida o relés de salida OUT es fijo, por lo que no se puede repetir un mismo numero de salida, pero, por el contrario, el numero de contactos asociados a cada una de ellas y tanto abierto como cerrados es, igual que en el caso anterior, ilimitado. j).- Contactos de marcas o bit internos.- Aunque no son salidas exteriores, las marcas se representan y programas de forma similar, siendo su utilización más común como relés auxiliares. La mayoría de los PLC's las dividen en tres grupos: Las no protegidas contra corte de alimentación. Las protegidas contra el corte de alimentación y que, por tanto, no pierden su estado ante esta eventualidad. Las especiales, con funciones varias como generador de impulsos, impulsos para funciones protegidas en primer ciclo de scan, etc. Al igual que ocurría con las salidas, el numero de marcas es fijo,o lo que es lo mismo, el mismo numero de marca no se puede repetir pero el numero de contactos asociados a cada marca, tanto abiertos como cerrados, es ilimitado. 11

12 CONSIDERACIONES PREVIAS A LA PROGRAMACION.- 12

13 6. FUNCIONES DE SERVICIO. GRABACION DE PROGRAMAS FUNCIONES DE SERVICIO.- Antes de iniciar cualquier acción para la puesta en funcionamiento del Autómata es necesario tener delante el cuadro de características o especificaciones del mismo, ya que datos como tensión de alimentación al sistema o tensión de red y el margen de variación admisible de la misma nos es necesario. Es necesario también antes de iniciar el manejo de un autómata el familiarizarse con los modos y funciones especificas mediante el manual de instrucciones del mismo, y al principio tenerlo delante hasta tanto dominemos estas. Los dos modos principales son: * STOP (off-line), esto es con el contacto de arranque abierto o programa sin ejecutar. Todas las salidas están en reposo. En estas condiciones se puede escribir, corregir el programa, etc. * RUN (on-line), o sea, con el contacto de arranque cerrado. El programa se esta ejecutando continuamente. Aquí solo son posibles algunas operaciones. Las funciones de servicio mas importantes de un autómata suelen ser las siguientes: Escritura del programa.- Normalmente en modo STOP. Borrado del programa.- Normalmente en modo STOP. Correcciones.- Normalmente en modo STOP. o Inserción de instrucción o Borrado de instrucción. o Modificación de una instrucción. o Borrado de programa a partir de una determinada instrucción. Visualización y lectura de instrucciones.- En modos STOP Y RUN Búsqueda o localización de instrucciones del programa.- En modos STOP Y RUN. Revisión o control de sintaxis.- En modos RUN y STOP. Se controlan para su corrección los posibles errores cometidos en la escritura del programa como: 1. Correcta numeración de E/S y relés auxiliares. 2. Correcta ordenación de instrucciones en contadores y registros. 3. Verifica que cada instrucción de comienzo de línea tiene su salida. 4. Comprueba que los agrupamientos de apertura y cierre de grupos de contactos con grupos de salidas llevan aparejadas las funciones correspondientes, etc. Inspección del programa.- Normalmente en modo RUN. Con el auxilio de las correspondientes funciones logramos visualizar el estado lógico de E/S, relés auxiliares, temporizadores, contadores, registros, etc. Modificación de temporizadores y contadores.- Normalmente en modo RUN. Forzamiento de estados.- Normalmente en modo RUN. 13

14 7. GRABACION DE PROGRAMAS.- Una de las ventajas del autómata sobre la lógica cableada es la posibilidad de introducir, borrar y modificar los programas, pero también la de poder grabarlos. En procesos de producción periódicamente cambiantes, en donde programas abandonados vuelven al cabo del tiempo a ser puestos en funcionamiento, juega un papel importante la posibilidad de grabación y archivo de los mismos para su posible utilización en el futuro, bien con su configuración actual, bien con las correspondientes modificaciones. Por ello, una vez realizado un programa, verificado y dispuesto para ponerlo en funcionamiento, es necesario grabarlo por alguno o algunos de los sistemas, de acuerdo a las disponibilidades con que contemos: Cassette. Memorias EPROM. Memorias EEPROM. Disquete. Impresora etc. El proceso de grabación en cada uno de los casos, es necesario conocerlo a través de las informaciones técnicas que acompañan a los autómatas. 8. INSTALACION, CABLEADO Y MANTENIMIENTO.- Una correcta instalación del PLC implica necesariamente tener en cuenta factores como: Condiciones ambientales del entorno físico donde se va a situar. Distribución de componentes en el armario que lo va a contener. Una buena alimentación y un cableado correcto. Asimismo, es necesario su puesta a punto y un eficaz mantenimiento. Estas condiciones que ya los fabricantes indican en los manuales son de todo necesarias para obtener una correcta eficacia del sistema. Normalmente y salvo indicación expresa del fabricante, las condiciones del entorno en donde se situé el PLC habrá de reunir las condiciones físicas siguientes: Ausencia de vibraciones, golpes, etc. No exposición directa a los rayos solares o focos calóricos intensos, así como a temperaturas que sobrepasen los grados centígrados aproximadamente. No elegir lugares donde la temperatura descienda en algún momento por debajo de 5 grados o donde los bruscos cambios puedan dar origen a condensaciones. Tampoco es posible situarlos en ambientes en donde la humedad relativa se encuentre aproximadamente por debajo del 20% o por encima del 90%. Ausencia de polvos y ambientes salinos. Ausencia de gases corrosivos. 14

15 Por seguridad es necesario un ambiente exento de gases inflamables. Ha de evitarse situarlo junto a líneas de alta tensión, siendo la distancia variable en función del valor de dicha tensión. Para un correcto cableado hay que tener en cuenta unas reglas mínimas, entre las que se encuentran. Separar los cables que conducen C.C. de los de C.A. para evitar interferencias. Separar los cables de las entradas de los de las salidas. Si es posible, separar los conductores de las E/S analógicas de las o digitales. Los cables de potencia que alimentan a contactores, fuentes de alimentación, etc, discurrirán por canaleta distinta de los cables de E/S. La alimentación al autómata es otro factor importante a tener en cuenta. Son dignas de consideración: Una tensión estable del valor indicado por el fabricante y exenta en lo posible de picos provocados por otros aparatos de la instalación. Unas protecciones contra sobrecargas y cortocircuitos por medio de interruptores magnetotermicos, fusibles, etc. así como contra derivaciones a tierra por medio de interruptores diferenciales. Una tierra del valor adecuado y debidamente señalizada mediante conductor amarilloverde. Si la instalación no la posee habrá que habilitarse una exclusivamente para el PCL de aproximadamente 3 a 5 ohmios. Un circuito de mando que nos permita conectar y desconectar en el momento preciso el circuito o parte del mismo. Las normas de seguridad exigen una orden expresa del usuario para arrancar de nuevo la instalación después de un paro (paro provocado por un corte de tensión o accionando una parada de emergencia). En cualquier caso siempre es conveniente consultar el manual del fabricante en todo lo referente a la instalación. Como cualquier otra maquina, el PLC necesita de un mantenimiento preventivo o inspección periódica; esta inspección ha de tener una periodicidad tanto mas corta cuanto más complejo sea el sistema, y puede variar desde semanalmente hasta anualmente. Aunque la fiabilidad de estos sistemas es alta, las consecuencias derivadas de sus averías originan un alto coste, por lo que es necesario reducir esta posibilidad al mínimo. Este mantenimiento podemos resumirlo en: Inspección visual de cables sueltos, tornillos flojos, de CPU y E/S por medio del funcionamiento de los leds de diagnostico. Observar las condiciones ambientales (humedad, polvo, vibraciones). Medidas de tensión de alimentación de red, entradas salidas, etc. 15