1 a) Sistemas de Control basados en eventos
Características equipos control en los 70’s: alto
costo; requerimiento de personal capacitado; complejidad de las
interfaces (equipos a procesos). i) El Controlador Lógico
Programable (PLC) Hoy (“Controladores Lógicos
Programables” o PLC’s, también denominados
“autómatas programables”): sistemas
económicos, robustos y flexibles; de fácil manejo
por el operador; simplicidad de interconexión con los
procesos (facilidad para manejar corrientes y tensiones
más grandes que las que maneja la CPU del equipo) Los
primeros PLC’s sustituyeron los clásicos sistemas
con relés o con circuitos lógicos, y son
“configurables” (a través de un programa con
un modo de programación muy similar a la que se usaba para
definir la lógica de relés).
2 (Gp:) NA (Gp:) NC a) Sistemas de Control basados en eventos i)
El Controlador Lógico Programable (PLC) (Gp:) NA (Gp:) NC
Físicamente Esquemáticamente Los relés
3 Circuito de control (Diagrama de relés) Encendido con
botonera partir-parar Esquemáticamente (Gp:) NA (Gp:) NC
(Gp:) B1 (Gp:) B1 (Gp:) NA a) Sistemas de Control basados en
eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC)
4 a) Sistemas de Control basados en eventos Los PLC’s hoy
superan los sistemas basados en lógica de relés:
mejor sistema de instrucciones (inclusión de
temporizadores y contadores, instrucciones aritméticas y
lógicas, etc.); mayor velocidad de respuesta; mejores
interfaces con los procesos (tratamiento de entradas y salidas
analógicas); mejor capacidad de comunicación (buses
de campo o “field bus”). i) El Controlador
Lógico Programable (PLC) Energía Respuesta
Señalesde control Señales deconsigna (Gp:) SISTEMA
DE CONTROL (Gp:) ACCIONAMIENTOS (Gp:) PLANTA Elementos de
Señal Elementos de Potencia La principal virtud de un PLC
es su robustez y su capacidad de conexión con las
señales provenientes de los procesos.
5 a) Sistemas de Control basados en eventos Los sistemas de
control se pueden dividir en: i) El Controlador Lógico
Programable (PLC) analógicos; digitales híbridos
(analógicos-digitales) Los sistemas analógicos
trabajan con señales continuas (presión,
temperatura, velocidad, etc.), usando voltajes o corrientes
proporcionales a dichas magnitudes (P/E: 0-10V, 4-20mA, etc). Los
sistemas digitales trabajan con señales binarias (toman
sólo dos niveles o estados posibles: abierto-cerrado;
conduce-no conduce; mayor-menor, etc.), que se suelen representar
por valores 1 y 0 (usando notación del Álgebra de
Boole). Los automatismos pueden ser lógicos (grupos de
variables de un solo bit) o digitales (variables de varios bits,
como estado de contadores, etc.).
6 a) Sistemas de Control basados en eventos La CPU del PLC
trabaja en forma digital (microcomputador) . i) El Controlador
Lógico Programable (PLC) El advenimiento de la
instrumentación inteligente (“smart”) y el uso
de buses de campo, hará que las señales
analógicas sean desplazadas por las digitales. La gran
cantidad de equipamiento analógico disponible a nivel
industrial (tanto electrónico como neumático y/o
hidráulico) no permiten augurar que su cambio total ocurra
en un futuro muy cercano. Las señales de los procesos y
acciones de control son –por lo general- de carácter
analógico. Los PLC’s tienen en sus interfaces las
conversiones A/D y D/A. Muchos dispositivos (tanto de entrada
como de salida) manejan señales binarias (no requieren
conversores).
7 a) Sistemas de Control basados en eventos La ventaja del PLC
frente a los sistemas cableados convencionales (lógica de
relés o de circuitos lógicos) radica en que el
funciona-miento del sistema depende de un programa y no de un
circuito. Automatismos cableados y programables Sistemas
cableados (poco adaptables); Sistemas programables (muy
adaptables) Aunque todos los equipos basados en
“microprocesador” pueden considerarse como
“programables”, aquí debe entenderse como
“configurables a través de un programa”
desarrollado por el usuario. Con un mismo “hardware”
o equipo se pueden realizar distintas funciones, modificando el
“software de configuración”. Se distinguen: i)
El Controlador Lógico Programable (PLC)
8 a) Sistemas de Control basados en eventos Las diferencias entre
ambos automatismos puede resumirse como sigue: Automatismos
cableados y programables i) El Controlador Lógico
Programable (PLC)
9 a) Sistemas de Control basados en eventos Se considera al
autómata programable como el conjunto de dispositivos
integrados por la unidad de control y las interfaces con las
señales del proceso. Puede considerarse como un equipo con
un “hardware” estándar, con capacidad de
conexión directa con las señales de campo (a
transductores y periféricos electrónicos), con
niveles de tensión y corriente industriales, y
configurable por el usuario. El conjunto de señales de
consigna y de realimentación que entran al PLC se les
denomina “entradas”, mientras que las que se obtienen
de él se denominan “salidas”, pudiendo ser
–en ambos casos- análogas o digitales. Se habla de
“modularidad” cuando el hardware está dividido
en partes interconectables que permiten conformar el sistema
según las necesidades. El Autómata Programable i)
El Controlador Lógico Programable (PLC)
10 a) Sistemas de Control basados en eventos La
“modularidad” permite distinguir entre
autómatas “compactos” (el dispositivo incluye
–en un solo cuerpo- la unidad de control y un mínimo
de entradas y salidas). Con unidades de expansión pueden
llegar hasta 256 “puntos” (entradas o salidas)
adicionales o más. Cuando se requiere un número
mucho más grande de puntos (más de 1000 con una
única CPU), es necesario acudir a sistemas modulares
montados en rack. Existe la posibilidad de tener varios sistemas
en paralelo, cada uno con su propia CPU y haciendo tareas
distintas. Este tipo de configu-raciones ha dado lugar a los que
se conoce como “inteligencia distribuida”, fundada en
la comunicación que puede existir entre los distintos
ordenadores. Esta técnica sustituye al “gran”
autómata en que residía toda la inteligencia del
proceso (“inteligencia centralizada”) El
Autómata Programable i) El Controlador Lógico
Programable (PLC)
11 a) Sistemas de Control basados en eventos Ejemplos de
PLC’s compactos Ejemplo de PLC modular El Autómata
Programable i) El Controlador Lógico Programable
(PLC)
12 a) Sistemas de Control basados en eventos La estructura
básica de un PLC y su forma de conexión a un
proceso se muestra en la siguiente figura: ii) Arquitectura.
Interfaces I/O. (Gp:) (Gp:) TERMINAL DE (Gp:) PROGRAMACIÓN
(Gp:) (Gp:) SENSORES (Gp:) (Gp:) (Gp:) MAQUINA O (Gp:) PROCESO
(Gp:) (Gp:) MODULO DE (Gp:) ENTRADAS (Gp:) (Gp:) MODULO DE (Gp:)
(Gp:) SALIDAS (Gp:) (Gp:) CPU (Gp:) (Gp:) (Gp:) PERIFERICOS (Gp:)
(Gp:) (Gp:) FUENTE (Gp:) ACTUADORES
13 La secuencia de operaciones de un PLC se define en base al
análisis de un conjunto de entradas del sistema y,
dependiendo del programa de operación, se toman acciones
sobre un conjunto de las salidas del mismo. Las señales de
entrada pueden provenir de elementos digitales (como sensores de
fines de carrera, detectores de proximidad, interruptores o
pulsadores, etc.) o analógicos (sensores de presión
o temperatura, señales de voltaje o de corriente, etc.).
Las señales de salida pueden ser acciones digitales
(activación de un relé o motor, encendido de una
ampolleta, etc.) o analógicas (accionamiento de una
válvula entre sus diversas posiciones, etc.). Estas
condiciones de entrada o de salida de un PLC se realizan a
través de interfaces específicas estandarizadas,
que permiten configurar fácilmente un sistema de acuerdo a
las necesidades del usuario. a) Sistemas de Control basados en
eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
14 a) Sistemas de Control basados en eventos Un PLC tiene
básicamente los siguientes bloques: Bloques principales de
un autómata La unidad de control consulta el estado de las
entradas y extrae de la memoria de programa la secuencia de
instrucciones a ejecutar, elaborando –a partir de ellas-
señales de salida que se enviarán al proceso.
Simultáneamente, actualiza los temporizadores y contadores
internos que se hayan utilizado en el programa. Durante la
ejecución del programa, las instrucciones se van
ejecutando en serie (una tras otra). La memoria contiene todos
los datos e instrucciones necesarias para la ejecución del
programa. Unidad Central de Proceso o Control (CPU); Memorias
internas; Memorias de programa; Interfaces de entrada y de
salida; Fuente de alimentación. ii) Arquitectura.
Interfaces I/O.
15 a) Sistemas de Control basados en eventos La memoria interna
es la encargada de mantener los datos intermedios de
cálculo y variables internas que no aparecen directamente
sobre las salidas, así como un reflejo o imagen de los
últimos estados leídos sobre las señales de
entrada o enviados a las señales de salida. La
clasificación de una memoria interna se realiza por el
tipo de variables que almacena y por el número de bits que
ocupa la variable. Pueden agruparse en: Posiciones de un bit
(bits internos) Memoria imagen de entradas/salidas Relés
internos Relés especiales o auxiliares Posiciones de 8, 16
o más bits (registros internos) Temporizadores Contadores
Otros registros de uso general. Bloques principales de un
autómata ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
16 a) Sistemas de Control basados en eventos El área de
memoria imagen almacena las últimas señales
leídas en la entrada y enviadas a la salida,
actualizándose después de cada ejecución
completa del programa (ciclo de barrido o de “scan”).
Después de ejecutar el programa, la CPU orden el
intercambio de señales entre las interfaces I/O y la
memoria imagen. Por lo tanto, mientras dura la ejecución,
los estados de las señales de entradas considerados para
el cálculo no son los actuales de la planta sino los
almacenados en memoria (leídos en el ciclo anterior). Por
otra parte, los cálculos realizados no van directamente a
las interfaces de salida, sino que se almacenan en los lugares
correspondientes. Esto hará que la transferencia global de
todas las señales (lectura de entrada y escritura de
salidas) se realice cuando finaliza cada ciclo de barrido. Las
posiciones de la memoria imagen se denominan “puntos de
E/S” (“I/O points”). Esta cantidad es propia de
cada PLC. Bloques principales de un autómata ii)
Arquitectura. Interfaces I/O.
17 a) Sistemas de Control basados en eventos Los relés
(internos, auxiliares y especiales) se identifican con lugares de
memoria de 1 bit, y almacenan el estado interno de un sistema
(relojes, bits de control, estado de la CPU, etc.). Estos
relés pueden consultarse desde el programa, pero no
afectan directamente a ninguna salida. La memoria de programa
contiene la secuencia de operaciones que deben realizarse sobre
las señales de entrada para obtener las señales de
salida, así como los parámetros de
configuración del autómata. Para introducir una
modificación sobre el sistema de control, sólo es
necesario modificar el contenido de esta memoria. Las interfaces
de entrada y salida establecen la comunicación del
autómata con la planta. Para ello, las señales del
proceso se conec-tan a través de los bornes previstos. La
interfaz se encarga de adaptar las señales que se utilizan
en el proceso a las manejadas internamente por la máquina.
Bloques principales de un autómata ii) Arquitectura.
Interfaces I/O.
18 a) Sistemas de Control basados en eventos Las interfaces I/O
establecen la conexión física entre la unidad
central y el proceso, filtrando, adaptando y codificando de
manera comprensible para dicha unidad las señales
procedentes de los elementos de entrada, y decodificando y
amplificando las señales generadas durante la
ejecución del programa (antes de enviarla a los elementos
de salida). Las interfaces pueden clasificarse según:
Interfaces de entrada y de salida El tipo de señales
Digitales de 1 bit Digitales de varios bits Analógicas Por
la tensión de alimentación De CC (P/E: de 24 VCC)
De CC a colector abierto (PNP o NPN) De CA (60/110/220 VCA).
Salidas por relés (libres de tensión) ii)
Arquitectura. Interfaces I/O.
Interfaces de entrada y de salida 19 a) Sistemas de Control
basados en eventos También por: Por el aislamiento Con
aislación galvánica (optoacopladores), Con
acoplamiento directo. Por la forma de comunicación con la
unidad central Comunicación serie, Comunicación
paralelo. Por la ubicación Locales, Remotos. Existen
clasificaciones más específicas, dependiendo del
tipo de autómata (compacto o modular), incluyendo la
adaptación de transductores específicos
(termocuplas, etc.) así como interfaces de comunicaciones
(tanto para su programación como para su
interco-nexión a buses industriales), tal como se
verá en futuros ejemplos. ii) Arquitectura. Interfaces
I/O.
20 La forma como se ejecutan las acciones de un PLC se muestra en
el siguiente esquema: Secuencia de ejecución del programa
(Gp:) SEÑALES EN LA INTERFAZ DE ENTRADAS A MEMORIA IMAGEN
DE ENTRADAS (Gp:) SEÑALES DE MEMORIA IMAGEN DE SALIDAS A
INTERFAZ DE SALIDAS (Gp:) EJECUCIÓN DELPROGRAMA Las
posiciones dela memoria imagense denominan “Puntos de
E/S” iii) Ciclo de funcionamiento y configuración
del autómata a) Sistemas de Control basados en
eventos
21 Cuando un autómata está energizado, puede
encontrarse en uno de los siguientes modos o estados de
operación: Modos de operación RUN: El
autómata se encuentra en el modo de ejecución
normal del programa. Las salidas cambian según el valor de
las entradas y lo establecido por el programa. Los temporizadores
y contadores configurados evolucionan en forma normal. iii) Ciclo
de funcionamiento y configuración del autómata a)
Sistemas de Control basados en eventos
22 STOP: La ejecución del programa se detiene por orden
del usuario. Las salidas pasan a estado OFF Las posiciones
internas (relés y registros), contadores y temporizadores
mantienen su estado en memoria interna Cuando pasa a RUN, todas
las posiciones internas, excepto las “protegidas”,
pasan a estado OFF. Modos de operación iii) Ciclo de
funcionamiento y configuración del autómata a)
Sistemas de Control basados en eventos
ERROR: El autómata detiene su ejecución por un
error de funcionamiento, hasta que se solucione el error. Las
salidas pasan a estado OFF Cuando se corrige el error, para que
el autómata nuevamente entre en modo RUN, es necesario un
“reset” desde la CPU, o por el usuario, o por un
comando enviado desde el programa. Modos de operación iii)
Ciclo de funcionamiento y configuración del
autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
23
Los aspectos citados se muestran en el siguiente esquema: Modos
de operación iii) Ciclo de funcionamiento y
configuración del autómata a) Sistemas de Control
basados en eventos 24
25 Configuraciones de la unidad de control La Unidad de Control
debe: Ejecutar las instrucciones Ordenar transferencia de
información I/O Establecer lazos de regu-lación y
control Comunicarse con los operadores y con el entorno. Puede
configurarse como: iii) Ciclo de funcionamiento y
configuración del autómata a) Sistemas de Control
basados en eventos
26 Configuraciones de la unidad de control Existen sistemas con
multiprocesadores centrales: iii) Ciclo de funcionamiento y
configuración del autómata a) Sistemas de Control
basados en eventos
27 Un ejemplo de PLC con multiprocesa-dores centrales es el
SIMATIC S5 (de Siemens) Configuraciones de la unidad de control
iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del
autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
28 Unidades de Control redundantes Por los riesgos que pueden
ocurrir durante la operación del proceso, una forma de
asegurar el normal funcionamiento es mediante la
incorporación de unidades de control redundantes:
Funcionamiento redundante Funcionamiento supervisado iii) Ciclo
de funcionamiento y configuración del autómata a)
Sistemas de Control basados en eventos
29 Entradas/Salidas distribuidas Según la conexión
de las entra-das o salidas con la CPU del autómata base,
existen diversas formas de conexión: Bus: un solo
procesador de enlace en la unidad base. Estrella: Hay tantos
procesadores de enlace como unidades de expansión. Mixta:
La unidad base tiene procesadores independientes para cada
expansión. (Gp:) Estructurade bus iii) Ciclo de
funcionamiento y configuración del autómata a)
Sistemas de Control basados en eventos
30 En este tipo de conexión es posible la
desconexión de cualquier unidad de expansión sin
afec-tar el funcionamien-to del conjunto. (Gp:)
EstructuraEstrella Entradas/Salidas distribuidas iii) Ciclo de
funcionamiento y configuración del autómata a)
Sistemas de Control basados en eventos
31 A pesar de tener procesadores independientes para cada
expansión, cada una puede estar formada por varias
unidades conectadas en bus entre sí. (Gp:) EstructuraMixta
Entradas/Salidas distribuidas iii) Ciclo de funcionamiento y
configuración del autómata a) Sistemas de Control
basados en eventos
32 Una opción posible son las I/O remotas enlazadas con
fibra óptica: Entradas/Salidas distribuidas iii) Ciclo de
funcionamiento y configuración del autómata a)
Sistemas de Control basados en eventos
33 Entradas / Salidas digitales Conectan el autómata con
señales de proceso de tipo binario (o con grupos de
señales binarias formando palabras). Una interfaz de
entrada lógica binaria (de 1 bit), con optoacopla-miento,
es la que se muestra a continuación: iii) Ciclo de
funcionamiento y configuración del autómata a)
Sistemas de Control basados en eventos
34 Una interfaz de salida lógica binaria (de 1 bit) es la
que se muestra a continuación: Los voltajes aplicados
pueden ser de CC (12V, 24V, 48V, …) o de CA (24V, 48V, 110V o
220V). Entradas / Salidas digitales iii) Ciclo de funcionamiento
y configuración del autómata a) Sistemas de Control
basados en eventos
35 Una interfaz muy usada en circuitos industriales provenientes
de interruptores (entrada CC-PNP) es: Entradas / Salidas
digitales iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del
autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
36 Una ejemplo de conexión de un detector de proximidad a
una interfaz de entrada es la siguiente: Entradas / Salidas
digitales iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del
autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
37 Entradas / Salidas análogas Los PLC’s
también tienen módulos de entrada analógicos
que permiten ingresar las señales de sensores, con salida
de corriente o de tensión normalizada: 4-20mA, 0-10V,
etc.). Como las señales de los procesos generalmente son
lentas, se puede usar un sistema de multiplexado de señal
antes del conversor A/D. iii) Ciclo de funcionamiento y
configuración del autómata a) Sistemas de Control
basados en eventos
38 También se encuentran módulos de entradas
analógicas especiales (termocuplas, Pt100, etc.) como las
que se muestran a continuación: Entradas / Salidas
análogas iii) Ciclo de funcionamiento y
configuración del autómata a) Sistemas de Control
basados en eventos
39 Esquemas de relés Es una representación
gráfica que permite representar las tareas del
autómata mediante símbolos de contacto
abierto-cerrado. La función de control que se realice
dependerá de las conexiones entre los distintos contactos
de relés que intervienen en el esquema. Este tipo de
esquemas presenta deficiencias para representación de
funciones secuenciales complejas, así como en la
representación de señales digitales de varios bits.
Su empleo se debe a la familiaridad que presenta a los
electricistas, y constituye la base de la programación en
lenguaje escalera (“ladder logic”). iv)
Programación de autómatas programables a) Sistemas
de Control basados en eventos
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN
LA VERSIÓN DE DESCARGA