KADE​
Equipamientos Eléctricos
PLC
Un autómata programable industrial (API) o Programable logic controller (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales.
Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la instalación.
Campos de aplicación
El PLC por sus especiales caracterÃsticas de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplÃa constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales.
Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.
Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como:
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
Ejemplos de aplicaciones generales:
Maniobra de máquinas
Maquinaria industrial de plástico
Máquinas transfer
Maquinaria de embalajes
Maniobra de instalaciones:
Instalación de aire acondicionado, calefacción...
Instalaciones de seguridad
Señalización y control:
Chequeo de programas
Señalización del estado de procesos
Ventajas e inconvenientes
No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones me obligan e referirme a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.
Ventajas
Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que:
No es necesario dibujar el esquema de contactos
No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.
La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega.
Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.
MÃnimo espacio de ocupación.
Menor coste de mano de obra de la instalación.
EconomÃa de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averÃas.
Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo cableado.
Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.
Inconvenientes
Como inconvenientes podrÃamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en dÃa ese inconveniente esta solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento.
El costo inicial también puede ser un inconveniente.
Funciones básicas de un PLC
Detección:
Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.
Mando:
Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.
Dialogo hombre maquina:
Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso.
Programación:
Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina.
Nuevas Funciones
Redes de comunicación:
Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo real. En unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de memoria compartida.
Sistemas de supervisión:
También los autómatas permiten comunicarse con computadoras provistas de programas de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por medio de una simple conexión por el puerto serie de la computadora.
Control de procesos continuos:
Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas llevan incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores PID que están programados en el autómata.
Entradas- Salidas distribuidas:
Los módulos de entrada salida no tienen porqué estar en el armario del autómata. Pueden estar distribuidos por la instalación, se comunican con la unidad central del autómata mediante un cable de red.
Buses de campo:
Mediante un solo cable de comunicación se pueden conectar al bus captadores y accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cÃclicamente el estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadores.
Introducción
Los autómatas programables son maquinas secuenciales que ejecutan correlativamente las instrucciones indicadas en el programa de usuario almacenado en su memoria, generando unas ordenes o señales de mando a partir de las señales de entrada leÃdas de la planta (aplicación): al detectarse cambios en las señales, el autómata reacciona según el programa hasta obtener las ordenes de salida necesarias. Esta secuencia se ejecuta continuamente para conseguir el control actualizado del proceso.
La secuencia básica de operación del autómata se puede dividir en tres fases principales:
Lectura de señales desde la interfaz de entradas.
Procesado del programa para obtención de las señales de control.
Escritura de señales en la interfaz de salidas.
A fin de optimizar el tiempo, la lectura y escritura de las señales se realiza a la vez para todas las entradas y salidas; Entonces, las entradas leÃdas de los módulos de entrada se guardan en una memoria temporal (Imagen entradas). A esta acude la CPU en la ejecución del programa, y según se va obteniendo las salidas, se guardan en otra memoria temporal ( imagen de salida). Una vez ejecutado el programa completo, estas imágenes de salida se transfieren todas a la vez al módulo de salida.
El autómata realiza también otra serie de acciones que se van repitiendo periódicamente, definiendo un ciclo de operación.
Modo de funcionamiento
Los autómatas pueden trabajar de tres formas diferentes:
Program
El PLC está en reposo y puede recibir o enviar el programa a un periférco.
Monitor
El PLC ejecuta el programa que tiene en memoria.
Run
El PLC ejecuta el programa que tiene en memoria permitiendo el cambio de valores en los registros del mismo.
Ciclo de funcionamiento
El funcionamiento del autómata es, salvo el proceso inicial que sigue a un Reset, de tipo secuencial y cÃclico, es decir, las operaciones tienen lugar una tras otra, y se van repitiendo continuamente mientras el autómata esté bajo tensión.
El ciclo de funcionamiento se divide en dos llamados Proceso Inicial y Ciclo de Operación.
Proceso inicial
Antes de entrar en el ciclo de operación el autómata realiza una serie de acciones comunes, que tratan fundamentalmente de inicializar los estados del mismo y chequear el hardware. Estas rutinas de chequeo, incluidas en el programa monitor ROM, comprueban:
El bus de conexiones de las unidades de E/S.
El nivel de la baterÃa, si esta existe.
La conexión de las memorias internas del sistema.
El módulo de memoria exterior conectado, si existe.
Si se encontrara algún error en el chequeo, se activarÃa el LED de error y quedarÃa registrado el código del error.
Comprobadas las conexiones, se inicializan las variables internas:
Se ponen a OFF las posiciones de memoria interna (excepto las mantenidas o protegidas contra perdidas de tensión)
Se borran todas las posiciones de memoria imagen E/S.
Se borran todos los contadores y temporizadores (excepto los mantenidos o protegidos contra perdidas de tensión).
Transcurrido el Proceso Inicial y si no han aparecido errores el autómata entra en el Ciclo de Operación.
Ciclo de operación
Este ciclo puede considerarse dividido en tres bloques:
Proceso Común
Ejecución del programa
Servicio a periféricos
Proceso común:
En este primer bloque se realizan los chequeos cÃclicos de conexiones y de memoria de programa, protegiendo el sistema contra:
Errores de hardware ( conexiones E/S, ausencia de memoria de programa, etc).
Errores de sintaxis ( programa imposible de ejecutar).
El chequeo cÃclico de conexiones comprueba los siguientes puntos:
Niveles de tensión de alimentación.
Estado de la baterÃa si existe.
Buses de conexión con las interfaces.
El chequeo de la memoria de programa comprueba la integridad de la misma y los posibles errores de sintaxis y gramática:
Mantenimiento de los datos, comprobados en el "checksum".
Existencia de la instrucción END de fin de programa.
Estructura de saltos y anidamiento de bloque correctas.
Códigos de instrucciones correctas.
Ejecución del programa:
En este segundo bloque se consultan los estados de las entradas y de las salidas y se elaboran las ordenes de mando o de salida a partir de ellos.
El tiempo de ejecución de este bloque de operaciones es la suma del:
Tiempo de acceso a interfaces de E/S.
Tiempo de escrutación de programa.
Y a su vez esto depende, respectivamente de:
Numero y ubicación de las interfaces de E/S.
Longitud del programa y tipo de CPU que lo procesa.
Servicio a periféricos:
Este tercer y último bloque es únicamente atendido si hay pendiente algún intercambio con el exterior. En caso de haberlo, la CPU le dedica un tiempo limitado, de 1 a 2ms, en atender el intercambio de datos. Si este tiempo no fuera suficiente, el servicio queda interrumpido hasta el siguiente ciclo.
Tiempo de ejecución y control en tiempo real
El tiempo total que el autómata emplea para realizar un ciclo de operación se llama tiempo de ejecución de ciclo de operación o más sencillamente tiempo de ciclo "Scan time".
Dicho tiempo depende de:
El número de E/S involucradas.
La longitud del programa usuario.
El número y tipo de periféricos conectados al autómata.
Los tiempos totales de ciclos son entonces la suma de tiempos empleados en realizar las distintas operaciones del ciclo:
Autodiagnóstico (Proceso común)
Actualización de E/S (Ejecución del programa)
Ejecución de programa.(Ejecución del programa)
Servicio a periféricos.(Servicio a periféricos)
(Los tiempos de ejecución de instrucciones se miden en unidades de microsegundos, resultando un tiempo de escrutación del programa variable en función del número e instrucciones contenidas. Precisamente el tiempo de escrutación es uno de los parámetros que caracterizan a un autómata expresado normalmente en milisegundos por cada mil instrucciones ms/k).
Tiempo total SCAN = T1 + T2 + T3 + T4
Red de Control
Es el vÃnculo entre los aparatos de control y/o PLCs, donde se intercambia información sobre la evolución M proceso, en paquetes o conjunto de registros, variables de producción, tablas de datos, recetas, etc.
En este nivel también se incorporan generalmente los sistemas de supervisión o SCADAs que se nutren de la información disponible en esta red para generar reportes históricos, reportes de alarmas, gráficos de tendencia y la animación de mÃmicos.
La información viaja por lo general en horizontal, entre los PLCs y/o dispositivos de control.
Dentro de este grupo podemos ubicar a redes como Modbus Plus o Fipway.
Red de Datos o Corporativa
En este caso se trata M intercambio grandes archivos entre computadoras y sistemas de gestión comercial, financie logÃstica de las empresas.
Generalmente se vinculan en forma ve con las bases de datos de los SCADAs obtener información de gestión de la emp estadÃsticas de producción, consumos ge les de energÃa, etc.
Ethernet TCP/IP (Transfer Control Prot Internet Protocol) es la red más difundida nivel mundial para este tipo.
VÃnculo fÃsico
Teniendo en cuenta el tipo de información a intercambiar y su función, es que surgen diferentes necesidades de velocidad y performance de la red, que determinan el tipo de medio o vÃnculo fÃsico y sus variables,
El vÃnculo o medio fÃsico está generalmente compuesto por cables blindados, cable coaxiales, fibra óptica y porqué no, enlaces satelitales o de radio frecuencia también.
A cada medio le corresponde una caracterÃstica eléctrica particular: Impedancia, capacidad/metro, resistencia/metro, atenuación en decibeles (dB).
Estas caracterÃsticas fÃsico/eléctricas determinan limitaciones en distancias y velocidad. Existen estándares que determinan todos estos valores, ej. BELDEN en el case de los cables.
El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, Institute of Electric and Electronic Engineers) define algunos de los estándares más utilizados teniendo en cuenta todos los factores que intervienen en los medios fÃsicos.
Sólo a tÃtulo de ejemplo se nombran a continuación alguno de ellos:
RS 232 IEEE
Par trenzado y blindado, velocidad 20 Kbps (bits por segundo), distancia máxima 15 mts. Punto a punto, o sea 1 transmisor - 1 receptor (DTE-DCE).
RS 485 lEEE
Doble par trenzado y blindado, velocidad 10 Mbps, distancia máxima 1200 mts. Multipunto, 32 transmisores - 32 receptores.
Ethernet - 10base T
Par trenzado UTP CategorÃa 3, velocidad 10 Mbps, distancia máxima 100 mts. por segmento. Multipunto, 1024 nodos/segmento.
Ethernet - 1 00base F
Fibra óptica, velocidad 100 Mbps, distancia máxima 2000 mts. por segmento. Multipunto 1024 nodos/segmento.
Accesorios:
Todas las redes sin excepción requieren un reacondicionamiento del medio fÃsico cada vez que se realiza una derivación o cuando es necesario extender el alcance de la misma. Existen adaptadores de impedancia, derivadores, fines de lÃnea, conectores especÃficos, etc., para adecuar las instalaciones. Es imprescindible tenerlos en cuenta a la hora de diseñar una red.
Protocolo
Se puede definir a un protocolo como el idioma, lenguaje o estándar que utilizan dos o m dispositivos electrónicos para "entenderse" y comunicarse entre sÃ.
Un protocolo define cómo se identifican dispositivos entre sà dentro de la red, el formato que debe tomar la información en tránsito y cómo es procesada dicha información una vez que llegó a su destino.
Los protocolos también definen procedimientos para manejar transmisiones perdidas o erróneas.
Modbus:
Desarrollado por Schneider en 1979, es el idioma común utilizado por todos los PLCs TSX Modicon.
Este protocolo define la estructura de los mensajes que los PLCs reconocen, sin importar el tipo de red sobre la cual se comunican.
Describe el proceso que el controlador utiliza para solicitar acceso a otro dispositivo, cómo responde a los requerimientos de otros controladores y cómo se detectan y reportan los errores de comunicación.
Establece un formato común para la distribución y el contenido de los registros o campos de los mensajes.
Se trata de un protocolo abierto, es decir que se encuentra disponible en forma gratuita la forma de funcionamiento del mismo en el sitio de Internet: www.modbus.org
4. Bus de campo AS-i
El concepto AS-i
El concepto AS-i surgió en el año 1990, por iniciativa de un grupo de trabajo formado por una decena de empresas, en su mayorÃa fabricantes de sensores/actuadores, cuyo objetivo inicial era definir y adoptar un sistema de comunicación único para todos los fabricantes de sensores o actuadores, lo que determinó la denominación AS-i (Actuator Sensor Interface).
Dicho concepto permitirÃa descentralizar as funciones inteligentes hasta el nivel de las células de producción o de las máquinas, con un sistema de cableado e instalación muy sencillos.
Más adelante, en 1992 se creó una asociación encargada de coordinar la producción AS-i de las distintas empresas, para dar a conocer el concepto y expedir certificados para los componentes conectables al bus.
El Bus AS-i
AS-i es un bus para sensores y/o actuadores discretos con topologÃa libre (en lÃnea, en estrella, en árbol, etc.) El tiempo de respuesta de este bus es muy breve (ciclo de 5 ms como máximo para 31 esclavos conectados).
Permite realizar acciones reflejas a nivel los actuadores. Se puede conectar a los niveles jerárquicos superiores de la red mediante bridges (pasarelas) como por ejemplo Modbus/AS-i o aprovechando la capacidad de comunicación de un módulo del bus en un
El ASIC
Parte de las funciones inteligentes AS-i se encuentran en el ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
- Circuito integrado especÃfico) incorporado directamente en el sensor o actuador (componente llamado comunicante), en un módulo de usuario o el una interfase de conexión que admita hasta 4 sensores y 4 actuadores estándar (llamados no comunicantes).
El Asic se encarga de gestionar todas las funciones del sensor o actuador para proporcionar al maestro AS-i información sobre si estado de la conmutación, comunicarle le disponibilidad de funcionamiento del sensor, etc.
El cable, soporte fÃsico del bus
Transmite la información y la alimentación de 24 V de los sensores y actuadores (tensión suministrada por fuente de alimentación especÃfica AS-i).
Consta de 2 hilos sin trenzar y sin apantallar, de sección 1,5 a 2,5 mm2.
Pueden ser cables redondos clásicos o cables especÃficos AS-i, que permiten realizar un cableado rápido y sencillo de todos los: componentes del bus AS-i.
El cable AS-i es plano con 2 conductores y un perfil particular que, impide que se invierta la polaridad durante la conexión a los repartidores o derivadores "T" de conexión AS-i.
TopologÃa del bus AS-i
La topologÃa libre del bus AS-i admite cualquier arquitectura (en estrella, en lÃnea, en árbol o en anillo).
Conexión del bus AS-i
Con las espigas tipo "vampiro" incorpora en los repartidores o derivaciones 'T", el cable AS-i se conecta rápida y automáticamente, perforando el recubrimiento aislante del cable y estableciendo el contacto.
Cuando se retiran los elementos de conexión para modificar el cableado, el cable recupera su aspecto original gracias al recubrimiento autocicatrizante.
Un bus Maestro - Esclavo
AS-i es un bus con maestro único, que se encarga de gestionar los esclavos. El maestro pregunta sucesivamente a cada uno de los esclavos conectados al bus y espera la respuesta. El ciclo de preguntas dura como máximo 5 ms con 31 esclavos.
El maestro siempre toma la iniciativa de diálogo.
Los esclavos se configuran en fábrica con la dirección 0. Antes de utilizarlos por primera vez, es necesario asignarles una dirección utilizando un terminal de direccionamiento. La transmisión entre el maestro y los esclavos se realiza utilizando la técnica de modulación por impulsos alternos (APM) sobre la corriente portadora. El proceso de detección de fallas garantiza una transmisión óptima.
El Maestro
AS-i admite varios tipos de maestros:
-
Maestro PLC con comunicación AS-i integrada, que consigue que esta comunicación sea transparente para el programa del PLC, al direccionar los dispositivos como Entradas o Salidas
- Maestro bridge (pasarela), que transforma el bus AS-i en un simple nodo de comunicación de un bus de nivel superior (por ejemplo, FIPIO o Modbus)
Los Esclavos
AS-i admite hasta 31 esclavos (componentes que incluyan un "chip" Asic), cada uno de ellos con 4 bits de entrada y 4 bits de salida para intercambio cÃclico de información con el maestro y 4 bits de parametrización para realizar funciones complejas (configuración, diagnóstico, etc.)
Cada esclavo tiene una dirección propia y un perfil que lo define (código que precisa el tipo de la unidad esclava). Los sensores o actuadores comunicantes incluyen un "chip" Asic) se conectan directamente al bus AS-i a través' repartidores o "T" de conexión pasivos. Por lo tanto, se puede conectar un máximo de 31 sensores o actuadores comunicantes.
Los sensores o actuadores están discretos (finales de carrera, sensores inductivos, etc.) se conectan al bus a través de repartidores activos o interfases de conexión. Por lo tanto, se pueden conectar un máximo de 248 sensores o actuadores estándar.