¿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:
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:
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.
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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.
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Terminal de programación portátil
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Terminal de programación compatible PC
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Periféricos
Los periféricos no intervienen
directamente en el funcionamiento del autómata, pero sin embargo facilitan
la labor del operario.
Los más utilizados son:
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Panel de Operación
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Conexión de un visualizador a un autómata
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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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