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Los PLC (controladores lógicos programables)

¿Qué es un autómata programable?

Hasta no hace mucho tiempo el control de procesos industriales se venia haciendo de forma cableada por medio de contactores y relés. Al operario que se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exigía tener  altos conocimientos técnicos para poder realizarlas y posteriormente mantenerlas.  Además cualquier variación en el proceso suponía modificar físicamente gran parte de las conexiones de los montajes, siendo necesario para ello un gran esfuerzo técnico y un mayor desembolso económico.

En la actualidad no se puede entender un proceso complejo de alto nivel  desarrollado por técnicas cableadas. El ordenador y los autómatas programables ha intervenido de forma considerable para que este tipo de instalaciones se hayan visto sustituidas por otras controladas de forma programada.

El Autómata Programable Industrial (API) nació como solución al control de circuitos complejos de automatización. Por lo tanto se puede decir que un API no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas automáticos. A él se conectan los captadores (finales de carrera, pulsadores, etc...) por una parte, y los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, peque os receptores, etc...) por otra.

Campos de aplicación

Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las siguientes necesidades:

  • Espacio reducido.

  • Procesos de producción periódicamente cambiantes.

  • Procesos secuenciales.

  • Maquinaria de procesos variables.

  • Instalaciones de procesos complejos y amplios.

  • Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.

Aplicaciones generales:

  • Maniobra de máquinas.

  • Maniobra de instalaciones.

  • Señalización y control.

Tal y como digimos anteriormente, esto se refiere a los autómatas programables industriales, dejando de lado los pequeños autómatas para uso más personal (que se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el hogar, como la puerta de un cochera o las luces de la casa).

Ventajas e inconvenientes de los PLC's

Entre la ventajas tenemos:

  • Menor tiempo de elaboración de proyectos.

  • Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros componentes.

  • Mínimo espacio de ocupación.

  • Menor costo de mano de obra.

  • Mantenimiento económico.

  • Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata.

  • Menor tiempo de puesta en funcionamiento.

  • Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.

Y entre los inconvenientes:

  • Adiestramiento de técnicos.

  • Costo.

A día de hoy los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas la carreras de ingeniería incluyen la automatización como una de sus asignaturas. En cuanto al costo tampoco hay problema, ya que hay autómatas para todas las necesidades y a precios ajustados.

Los PLC's se introdujeron por primera vez en la industria en 1960 aproximadamente. La razón principal de tal hecho fue la necesidad de eliminar el gran costo que se producía al reemplazar el complejo sistema de control basado en relés y contactores. Bedford Associates propuso algo denominado Controlador Digital Modular (MODICON, MOdular DIgital CONtroler) a un gran fabricante de coches. Otras compañías propusieron a la vez esquemas basados en ordenador, uno de los cuales estaba basado en el PDP-8. El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente.

El problema de los relés era que cuando los requerimientos de producción cambiaban también lo hacía el sistema de control. Esto comenzó a resultar bastante caro cuando los cambios fueron frecuentes. Dado que los relés son dispositivos mecánicos y poseen una vida limitada se requería una estricta manutención planificada. Por otra parte, a veces se debían realizar conexiones entre cientos o miles de relés, lo que implicaba un enorme esfuerzo de diseño y mantenimiento.

Los "nuevos controladores" debían ser fácilmente programables por ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida debía ser largo y los cambios en el programa tenían que realizarse de forma sencilla. Finalmente se imponía que trabajaran sin problemas en entornos industriales adversos. La solución fue el empleo de una técnica de programación familiar y reemplazar los relés mecánicos por relés de estado sólido.

A mediados de los 70 las tecnologías dominantes de los PLC eran máquinas de estado secuenciales y CPU basadas en desplazamiento de bit. Los AMD 2901 y 2903 fueron muy populares en el Modicon y PLC's A-B. Los microprocesadores convencionales cedieron la potencia necesaria para resolver de forma rápida y completa la lógica de los pequeños PLC's. Por cada modelo de microprocesador había un modelo de PLC basado en el mismo. No obstante, el 2903 fue de los más utilizados.

Las habilidades de comunicación comenzaron a aparecer en 1973 aproximadamente. El primer sistema fue el bus Modicon (Modbus). El PLC podía ahora dialogar con otros PLC's y en conjunto podían estar aislados de las máquinas que controlaban. Tambien podían enviar y recibir señales de tensión variables, entrando en el mundo analógico. Desafortunadamente, la falta de un estándar acompañado con un continuo cambio tecnológico ha hecho que la comunicación de PLC's sea un maremagnum de sistemas físcicos y protocolos incompatibles entre si. No obstante fue una gran decada para los PLC's.

En los 80 se produjo un intento de estandarización de las comunicaciones con el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General Motor's. También fue un tiempo en el que se redujeron las dimensiones del PLC y se pasó a programar con programación simbólica a través de ordenadores personales en vez de los clásicos terminales de programación. Hoy día el PLC más pequeño es del tamaño de un simple relé.

Los 90 han mostrado una gradual reducción en el número de nuevos protocolos, y en la modernización de las capas físicas de los protocolos más populares que sobrevivieron a los 80. El último estándar (IEC 1131-3) intenta unificar el sistema de programación de todos los PLC en un único estándar internacional. Ahora disponemos de PLC's que pueden ser programados en diagramas de bloques, lista de instrucciones y texto estructurado al mismo tiempo.

Los PC están comenzando a reemplazar al PLC en algunas aplicaciones, incluso la compañía que introdujo el Modicon 084 ha cambiado al control basado en PC. Por lo cual, no sería de extrañar que en un futuro no muy lejano el PLC desaparezca frente al cada vez más potente PC, debido a las posibilidades que los ordenadores pueden proporcionar.

Veamos un típico circuito de automatismos. Un arrancador Estrella/Triángulo con temporizador.
La figura 1 muestra  como es la técnica cableada. Por una parte tenemos el circuito de fuerza, que  alimenta el motor, y por otra el circuito auxiliar o de mando,  que realiza la maniobra de arranque de dicho motor.

La figura 2 muestra como se realiza el mismo montaje de forma programada. El circuito de fuerza es exactamente el mismo que en la técnica cableada. Sin embargo, el de mando será sustituido por un autómata  programable, al cual se unen eléctricamente los pulsadores y las bobinas de los contactores. La maniobra de arranque la realizara el programa que previamente se ha transferido al autómata.

Partes de un autómata programable

La estructura básica de cualquier autómata es la siguiente:

    • Fuente de alimentación

    • CPU

    • Módulo de entrada

    • Módulo de salida

    • Terminal de programación

    • Periféricos.

Respecto a su disposición externa, los autómatas pueden contener varias de estas secciones en un mismo módulo o cada una de ellas separadas por diferentes módulos. Así se pueden distinguir autómatas Compactos y Modulares.

Fuente de alimentación

Es la encargada de convertir la tensión de la red,  220v c.a.,  a baja tensión de c.c, normalmente 24 v. Siendo esta la tensión de trabajo en los circuitos electrónicos que forma el Autómata.

CPU

La Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema. Se encarga de recibir las ordenes, del operario por medio de la consola de programación y el modulo de entradas. Posteriormente las procesa para enviar respuestas al módulo de salidas. En su memoria se encuentra residente el programa destinado a  controlar el proceso.

Modulo de entradas

A este módulo se unen eléctricamente los captadores (interruptores, finales de carrera, pulsadores,...).
La información recibida en él, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la programación residente.

Captadores pasivos

 

Captadores Activos

Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al módulo de entradas: los Pasivos y los Activos.
Los Captadores Pasivos son aquellos que cambian su estado lógico, activado - no activado, por medio de una acción mecánica. Estos son los Interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc.
Los Captadores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico. Este es el caso de los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoeléctricos). Muchos de estos aparatos pueden ser alimentados por la propia fuente de alimentación del autómata.
El que conoce circuitos de automatismos industriales realizados por contactores, sabrá que puede utilizar, como captadores, contactos eléctricamente abiertos o eléctricamente cerrados dependiendo de su función en el circuito. Como ejemplo podemos ver  un simple arrancador paro/marcha (Fig 5). En él se distingue el contacto usado como pulsador de marcha que es normalmente abierto y el usado como pulsador de parada que es normalmente cerrado.
Sin embargo en circuitos automatizados por autómatas, los captadores son generalmente abiertos.
El mismo arrancador paro/marcha realizado con un autómata es el de la figura 6.  En él se ve que ambos pulsadores y el relé térmico auxiliar son abiertos.

Modulo de salidas

El modulo de salidas del autómata es el encargado de activar y desactivar los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, motores peque os, etc).
La información enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada, se envía al módulo de salidas para que estas sean activadas y a la vez los actuadores que en ellas están conectados.
Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar diferentes módulos de salidas.
Existen tres tipo bien diferenciados:

  • A relés.

  • A triac.

  • A transistores.

Módulos de salidas a relés

Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Están basados en la conmutación mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico normalmente abierto.

Módulos de salidas a triacs

Se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna que necesiten maniobras de conmutación muy rápidas.

Módulos de salidas a Transistores a colector abierto

El uso del este tipo de módulos es exclusivo de los circuitos de c.c.
Igualmente que en los de Triacs, es utilizado en circuitos que necesiten maniobras de conexión/desconexión muy rápidas.

La forma de conectar los actuadores a los módulos de salidas, dependerá del tipo de módulo utilizado. Estos son algunos ejemplos:

 

 

Terminal de programación

El terminal o consola de programación es el que permite comunicar al operario con el sistema.
Las funciones básicas de éste son las siguientes:

  • Transferencia y modificación de programas.

  • Verificación  de la programación.

  • Información del funcionamiento de los procesos.

Como consolas de programación pueden ser utilizadas las construidas específicamente para el autómata, tipo calculadora o bien un ordenador personal, PC, que soporte un software especialmente diseñado para resolver los problemas de programación y control.


Terminal de programación portátil


Terminal de programación compatible PC

Periféricos

Los periféricos no intervienen directamente en el funcionamiento del autómata, pero sin embargo facilitan  la labor del operario.
Los más utilizados son:

  • Grabadoras a cassettes.

  • Impresoras.

  • Cartuchos de memoria EEPROM.

  • Visualizadores y paneles de operación OP


Panel de Operación

Conexión de un visualizador a un autómata

Lenguajes de programación

Cuando surgieron los autómatas programables, lo hicieron con la necesidad de sustituir a los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y relés. Por lo tanto, la comunicación hombre-maquina debería ser similar a la utilizada hasta ese momento. El lenguaje usado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto  con la instalación. Estos lenguajes han evolucionado en los últimos tiempos, de tal forma que algunos de ellos ya no tienen nada que ver con el típico plano eléctrico a relés..
Los lenguajes más significativos son:

Lenguaje a contactos. (LD)

Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al elaborar cuadros de automatismos. Muchos autómatas incluyen módulos especiales de software para poder programar gráficamente de esta forma.

Lenguaje por lista de instrucciones. (IL)

En los autómatas de gama baja, es el único modo de programación. Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que se asocian a los símbolos y su combinación en un circuito eléctrico a contactos. También decir, que este tipo de lenguaje es, en algunos los casos, la forma más rápida de programación e incluso la más potente.

GRAFCET. (SFC)

Es el llamado Gráfico de Orden Etapa Transición.  Ha sido especialmente diseñado para resolver problemas de automatismos secuenciales. Las acciones son asociadas a las etapas y las condiciones a cumplir a las transiciones. Este lenguaje resulta enormemente sencillo de interpretar por operarios sin conocimientos de automatismos eléctricos.
Muchos de los autómatas que existen en el mercado permiten la programación en GRAFCET, tanto en modo gráfico o como por lista de instrucciones.
También podemos utilizarlo para resolver problemas de automatización de forma teórica y posteriormente convertirlo a plano de contactos.

Plano de funciones. (FBD)

El plano de funciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a técnicos habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la simbología usada en ambos es equivalente.

El autómata TSX17-10

Al ser este el modelo inferior de toda la gama TSX, nos hace tener un autómata programable económico, de gran potencia y además ideal para utilizarlo con fines didácticos.
Antes de pasar a describir el lenguaje de programación empleado, es necesario conocer su estructura externa y sus características eléctricas.

Características

El TSX17 es un mini-autómata de tipo compacto. La CPU, fuente de alimentación, sección de salidas, y sección de entradas, están incluidas en el mismo módulo.
La consola de programación es externa.

 

La conexión de cartuchos EEPROM se hace directamente en el alojamiento reservado para ello en el propio autómata.
Todas las conexiones se hacen a través de dos tiras de bornes fácilmente recambiables en caso de deterioro mecánico o eléctrico.
La alimentación puede estar comprendida entre 110-240 v.
Posee una salida de 24 v en c.c. aprovechable para conectar captadores tanto pasivos como activos.
Las 8 salidas a relés (todo o nada) son libres de tensión.
Las 12 entradas digitales son activadas por los 24 voltios de c.c. que entrega la fuente de alimentación del propio autómata.  También son digitales.
El mantenimiento de la memoria RAM, de 8k octetos, se hace por una pila de litio con duración de un a o.
Es posible expandir las posibilidades del autómata por medio del conector de 9 pins situado en el frontal del aparato.
La sujeción al armario eléctrico se puede realizar fácilmente por carril DIN.
El panel de leds frontal, que permiten comprobar el estado de Entradas y Salidas, es fácilmente recambiable.

Estructura del TSX17-10

Como se indicó en el punto anterior, el autómata  es de estructura compacta. Fuente de alimentación, sección de E/S y CPU se encuentran incluidas en el mismo módulo. Su aspecto exterior corresponde al de la figura:

La conexión de captadores/actuadores a las entradas/salidas del autómata se realiza de la siguiente forma:

Posibilidades de expansión

El TSX17-10 aun siendo el benjamín de toda la familia de autómatas de Telemecanique, permite  su asociación a otros módulos de E/S, digitales (todo o nada) y analógicos. La única condición que ha de cumplir es que no sea superado un número de 2 extensiones.
El módulo inicial será el M0, la primera extensión M1 y la segunda extensión M2 (Fig. xx).  Tenderemos esto muy en cuenta en el momento de elaborar los programas.

Terminal de programación TSX T317

Aunque el objetivo de este documento no es dar a conocer el uso del la consola de programación, se va a representar gráficamente su forma física y el acceso a los diferentes menús que ésta nos permite.

Accesos a los diferentes modos de programación y control con el terminal T317

El siguiente esquema muestra las diferentes funciones soportadas por la consola de programación y la forma de acceder a ellas:

Unión TSX17 <-----> PC

Nuestro autómata puede aprovechar la potencia de los ordenadores personales para su programación.
La unión TSX17 / PC se realiza con un Interface que convierte los protocolos RS232 a RS485. Este Interface lo distribuye  Telemecanique con la referencia TSX 17 ACC8, siendo necesario además el kit de conexiones TSX 17 ACC11.
Como software se utiliza un módulo de programación, por lista de instrucciones, especialmente diseñado por Telemecanique.

 

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