Programación estructurada sobre un PLC Objetivos: Discutir tres métodos estructurados para implementar un esquema de control Generar un diagrama de estados para un problema de control dado. Diseñar una red de Petri para un problema de control dado. Convertir una red de Petri en una diagrama secuencial. Ventajas y desventajas de la programación estructurada y no-estructurada Se pretende ver como desarrollar un control secuencial usando métodos estructurados en lugar del de prueba y error. Construir un diagrama de estados o una red de Petri ayuda al análisis del funcionamiento total de un control y permite dividir un control complejo en partes menores, segmentos mas manejables. La depuración de programas estructurados es mucho mas facil, debido a que ellos están organizados y que el diagrama de estados y la red de Petri proveen ayuda visual. Diagrama de estados La lógica escalera a menudo es escrita en forma no estructurada lo que se hace dificil de analizar y corregir. Esto puede ser remediado mediante un simple enfoque estructural llamado diagrama de estados. Un diagrama de estados es una representación pictórica, un tipo especial de diagrama de flujo, de un proceso de control secuencial que muestra los posibles caminos que el proceso puede tomar y las condiciones booleanas necesarias para pasar de un estado al otro. El primer paso en este enfoque a la programación estructurada es preparar una descripción de lo que se necesita hacer. El segundo paso es trasladar esta descripción a un diagrama de estados, determinando los estados únicos a traves de los cuales el proceso avanza. Cualquier cambio que se de en las condiciones de salida necesita ser mostrado en un nuevo estado. El tercer paso es conectar estos estados con líneas y flechas para indicar las direcciones de cambio deseado. Finalmente, se agregan las condiciones lógicas, escritas en forma booleana, que causan un cambio de un estado a otro. Ejemplo 1: llave secuencial- Descripción: Diseñar una llave secuencial- que operará un dispositivo por 15 segundos despues de que tres pulsadores han sido presionados en la secuencia correcta. Si se presiona una secuencia incorrecta un aviso de error deberá ser activado para prevenir un nuevo intento antes de 10 segundos, luego de los cuales se permite un nuevo intento. Si el aviso de error es activado mas de dos veces la llave permanecerá bloqueada hasta que un pulsador, para tal fin, lo libere. El diagrama de estados para este bloqueo secuencial es dado por la figura 1. Diseño de Sistemas Lógicos Secuenciales 1 / 8
Esquema de estados Estado 1: Habilitar T2 Estado 2: Listo, intento 1 T1*C1+I:03 I:01 + I:02 I:00 Estado 6: Error I:00+ I:01 I:00 + I:02 Estado 3: intento 2 I:01 Estado 5: Operar I:02 Estado 4: intento 3 Figura 1: Diagrama de estados para el ejemplo Llave secuencial- Designación Dispositivo Función I:00 Pulsador 1 Primera combinación I:01 Pulsador 2 Segunda combinación I:02 Pulsador 3 Tercera combinación I:03 Pulsador 4 Reset T1 Temporizador Retardo 10 seg. T2 Temporizador Retardo 15 seg. C1 Contador Error Regla para la construcción de diagramas de estado: solo un estado puede ser activado a la vez. Esta regla es asegurada exigiendo que, para habilitar un estado, los restantes estados estén inhabilitados. De otra manera podria resultar en un serio conflicto entre estados, inseguro para el personal y las maquinaria. El control secuencial para la llave descripta en el ejemplo 1 se implementará utilizando el método de diagrama de estados. El programa se escribe para cualquiera de lo PLCs del Laboratorio. La estructura en este control resulta facil de seguir, depurar y mantener. La parte mas pesada de diseñar es la generación del diagrama de estado. Una vez que él es diseñado, el resto es sencillo. Usted podría implementar este mismo control con unos pocos relés, pero, dado que la memoria del PLC no es cara, el costo para un programa estructurado es mínimo. Las ventajas de un programa estructurado sobre uno no estructurado hacen que sea una excelente forma de implementar un control. Todos los estados deben ser implementados de a uno por vez. Proponemos seguir un formato general para programar el esquema en escalera correspondiente a la Llave secuencial-. Diseño de Sistemas Lógicos Secuenciales 2 / 8
Formato general Definir un sector de programa para cada estado. En cada sector Un primer escalón con las condiciones necesarias para entrar al estado. Un segundo escalón con las condiciones requeridas para salir del estado. Las condiciones lógicas son las listadas sobre las líneas de conexión de estados en el diagrama de estados. Un número de escalones entre el segundo y el último escalón donde se programen las acciones a cumplir de acuerdo con los requerimientos de cada estado en particular. Un último escalón que actúa deshabilitando el estado. La programación debe asegurar que no se pueda entrar a dos estados a la vez. Saltar a FIN DE ZONA Condiciones necesarias para entrar al estado SALIDA LÓGICA Contactos en serie y paralelo Condiciones requeridas para salir del estado Programa de acciones a cumplir de acuerdo con los requerimientos de cada estado en Deshabilita el estado FIN DE ZONA Diseño de Sistemas Lógicos Secuenciales 3 / 8
Ejemplo 2: Dos bombas. Descripción: Un tanque de agua tiene tres sensores, para detectar tres diferentes niveles de agua: Lleno, Bajo y Vacío. Hay dos bombas para llenar el tanque: P1 y P2. Cuando el control automático es habilitado podría suceder que: 1. Un tanque, inicialmente vacío, requiere que arranquen las dos bombas, hasta que se llena. 2. Un tanque, inicialmente lleno, o con un nivel de agua entre lleno y bajo, mantiene las dos bombas apagadas. 3. Una condición inicial abajo del nivel bajo, pero no vacío, arranca una de las bombas, hasta que el tanque se llena. Si el tanque se vacía mientras una bomba esta encendida, la otra bomba se arranca y ambas permanecen encendidas hasta que el tanque se llena. Las bombas son alternadas en cada ciclo de llenado. Construimos el diagrama de estado. Símbolos utilizados en el diagrama de estado Sensor de Tanque vacío LSLL Sensor de Tanque lleno LSH Sensor de bajo nivel LSL Relé de cambio de bomba RC Bomba 1 B1 Bomba 2 B2 Nota: Los sensores producen un contacto cerrado cuando el agua los toca. LSH + LSL X LSH 2 P1 0 P2 0 LSH LSLL X LSH X RC LSL X LSH X RC 1 ARRANQUE LSLL 3 P1 1 P2 1 LSLL 5 P1 0 P2 1 RC 0 LSH LSLL X LSL LSLL 4 P1 1 P2 0 RC 1 LSH Figura 1: Diagrama de estados para el problema de las dos bombas Diseño de Sistemas Lógicos Secuenciales 4 / 8
El método de diagramas de estado solo es aplicable si un solo estado es activado por vez. Veremos otro método para manejar operaciones en paralelo: Redes de Petri. Redes de Petri Las Redes de Petri fueron empleadas inicialmente en programación de computadoras como un método estructurado de diseñar programas, en los cuales, procesos en paralelo deben ser efectuados simultaneamente y cada proceso en paralelo ha de ser completado en orden a continuar sobre la siguiente porción de programa. Un diagrama Petri es una representación pictórica de un proceso de control que requiere ramas en paralelo y procesamiento simultaneo. El muestra los posibles caminos que el proceso puede tomar, las condiciones Booleanas necesarias para pasar de un estado al otro y donde se requiere convergencia para continuar. Un ejemplo de multiples operaciones simultaneas es un proceso de ensamblaje automatizado que recibe dos plaquetas de circuitos impresos diferentes en las que deben montarse las partes, soldar y completar procesos varios antes de que ellas avancen hasta donde deben conectarse con una plaqueta madre. Solo despues que las tres plaquetas han sido completadas y conectadas pueden avanzar a una nueva ubicación donde serán testeadas automaticamente. Una Rede de Petri de este proceso puede ser implementada sobre cualquier PLC usando un diagrama de estado estructurado para cada estado. Solo el estado activo, puede comunicarse con el procesador. Cartas de función secuencial Un proceso puede ser programado en un PLC de una manera estructurada usando un diagrama de estado para cada estado y registros para mantener las condiciones y activar y desactivar estados. Sin embargo si un lenguaje de programación estructurada no está disponible, esta toma una gran carga de tiempo y programación. Hay PLCs que tienen entre sus opciones lenguajes de programación estructurada que permiten implementar Petri networks. Estas cartas secuenciales o SFC (Sequential Funcion Charts) están hechas para implementar Petri networks. En estos no debemos preocuparnos por el control de la programación, dado que está completamente automatizado por el SFC. El programa genera la estructura necesaria para inmplementar un diagrama de estado, se debe poner la logica necesaria para cada estado. Una ventaja del SFC es que la exploración -el SCAN- resulta mas eficiente. En lugar de recorrer completamente la lógica del programa de control, en SFC, solo la lógica para los estados activos es SCANEADA y el resto es pasado por alto. La figura muestra el diagrama de Petri implementado usando SFC. Diseño de Sistemas Lógicos Secuenciales 5 / 8
COMENZAR PB1 UBICAR PCB1 SOBRE LA MESA LS1 MONTAR PARTES UBICAR PCB2 SOBRE LA MESA LS2 MONTAR PARTES UBICAR LA PLACA MADRE SOBRE LA MESA LS3 MONTAR CONECTORES M1 CORTAR Y SOLDAR S1 AJUSTAR POTES M2 APLICAR MASCARA DE SOLDAR AM1 CORTAR Y SOLDAR ENSAMBLAR PCB 1, 2, 3 AP1+ S2+ M3 FIN AS1 Figura 10 - Ejemplo Petri Network Montaje y ensamble de placas impresas Diseño de Sistemas Lógicos Secuenciales 6 / 8
INICIO ERROR LISTO INTENTO 2 ERROR INTENTO 3 ERROR OPERAR ERROR FIN Ejemplo Carta de Función Secuencial para la llave - Secuencial Diseño de Sistemas Lógicos Secuenciales 7 / 8
Resumen Hay muchas ventajas en realizar programas de control estructurados por lo que esta justificado el tiempo que toma estudiar alguna de sus técnicas. Las dos ventajas obias son dividir un control complejo en unidades manejables, mas pequeñas y realizar un control mas facil de mantener. Otra ventaja es que nos obliga a documentar que es lo que ha sido hecho tal que otros lo puedan comprender. El método de prueba y error nos permite hacer el trabajo, pero a menudo resulta laborioso, antieconómico y sin documentación, tal que una próxima persona deberá repatir el proceso consumiendo nuevamente el mismo tiempo. Ejercicios: 1. Hacer un diagrama de estado para el siguiente problema de control: Un operador de una máquina requiere, por seguridad, mantener ambas manos lejos de la máquina mientras ella trabaja. Para asegurar esto dos pulsadores deben se actuados simultaneamente para operarla, a la ves que estarán suificientementa apartados para que esto no pueda ser hecho con una sola mano. Luego de pulsar ambas botoneras, la maquina interrumpirá el funcionamiento y no operará hasta que ambos botones sean liberados y pulsados simultaneamente otra vez. 2. Para los problemas ejemplo y el ejercicio anterior, realizar: los diagramas de estado y los programas estructurados correspondientes, para un determinado PLC. Implementarlo y simular su comportamiento. 3. Enumerar ventajas y desventajas de utilizar diagramas de estado para el diseño de un sistemas de control y de la programación estructurada?. 4. Cuales son las características de un PLC que hacen posible implementar el control a partir de diagramas de estado?. 5. Como se podrían utilizar los diagramas de estado para diseñar un control con reles electromecánicos en lugar de un PLC?. Diseño de Sistemas Lógicos Secuenciales 8 / 8