Controlador Lógico Programable Electricidad y Electronica Ind

INTRODUCCIÓN

Los acelerados cambios que experimentan actualmente las empresas, demandan personal preparado que responda a estos retos, como resultado importante de la innovación tecnológica y de otros fenómenos que determinan el grado de competitividad de las empresas. Es por eso que el alumno requiere una capacitación sobre Controladores  Lógicos Programables, que tengan como objetivo aplicar el controlador lógico programable en sistemas de control utilizando los equipos auxiliares tales como: programación mediante PC, sensores y actuadores con el propósito de proporcionar los conocimientos básicos sobre su funcionamiento, operación, programación y aplicación en sistemas de control secuencial.

El controlador Lógico Programable, es un dispositivo electrónico de control que consta principalmente de los siguientes módulos: de entrada, de salida y unidad central procesadora de datos, su programación puede ser en forma de listado de instrucciones, diagrama de funciones o bien por diagrama de contactos. Es de gran interés en sus aplicaciones y es por eso que a la fecha en la mayor parte del sector productivo se cuenta con sistemas de control por PLC.

Este apunte contiene temas donde se analiza sobre antecedentes, características, descripción, especificaciones, operación y programación del Controlador Lógico Programable. Además se complementa con un manual para prácticas lo cual ayudará al alumno a comprender y reafirmar los conocimientos sobre programación de PLC.

Con el apoyo del pizarrón, proyector de retrotransparencias, PLC y tablero de control para la demostración, se desarrollarán prácticas formando equipos, la evaluación será en forma individual considerando el 80% para el aspecto práctico y el 20% para la teoría en base a la observación continua y el desarrollo de las prácticas que se realicen durante el curso y la resolución de un cuestionario.

FUNDAMENTACIÓN

La industria tiende a automatizarse sustituyendo sus sistemas tradicionales de control  electromagnético por sistemas automatizados de estado sólido, que proporcionan ventajas tales como: Manufactura flexible, mayor seguridad, óptima calidad, entrega oportuna y un bajo costo; lo cual ayuda  a competir en el mercado.

Actualmente existen en la industria sistemas automáticos que sustituyen la mano del hombre, evitándole tareas que pueden poner en riesgo su integridad física y su salud.

Con los conocimientos que adquirirás al finalizar este curso, tendrás bases suficientes para enfrentar cualquier tipo de problemática para automatización utilizando PLC´s, porque a pesar de se analizará un tipo de controlador lógico programable, te permitirá adaptarte rápidamente a otro tipo de PLC, puesto que el funcionamiento es similar.

Este apunte que tienes en tus manos posee un gran valor. En ella, su autor, ha vertido conocimientos, experiencia y mucho trabajo. Y al editarla ha procurado una presentación digna de su contenido y está poniendo todo su empeño y recursos tratando de que la persona que la utilice no se pierda y su contenido pueda ser ampliamente entendido y difundido respetando el nombre del autor, gracias.

 ANTECEDENTES Y CARACTERÍSTICAS DEL PLC

Hasta 1960 los sistemas industriales de control se realizaban con dispositivos electromagnéticos lo cual ocasionaba fuertes gastos para su construcción, montaje, operación y mantenimiento, fue hasta 1968 cuando la empresa General Motors Company (GMC) en conjunto con Bedford Associates propuso y construyen un dispositivo denominado Controlador Digital Modular (MODICON, MOdular DIgital CONtroler), el primer dispositivo de control en estado sólido que reemplazaría al control tradicional de relevadores electromagnéticos y en 1969, introdujo al mercado el primer PLC comercial construido por cientos de dispositivos electrónicos y con memoria de núcleo magnético para almacenar programas en lenguaje gráfico basado en diagramas de escalera. En 1970, los PLC fueron fabricados utilizando microprocesadores lo cual trajo como consecuencia que pudieran manipular grandes cantidades de datos, desarrollar cálculos matemáticos y permitir comunicación con otros dispositivos inteligentes como las computadoras. En los últimos 20 años el PLC ha mejorado en su capacidad de memoria, velocidad de proceso de datos, comunicación, cantidad de manejo de datos, flexibilidad de operación y lo más importante su costo. Lo anterior ha permitido que el PLC  sea una herramienta muy útil para sistemas de control secuencial en la industria.

Se entiende por controlador lógico programable (PLC), o autómata programable, a toda máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales.
Esta definición se está quedando un poco desfasada, ya que han aparecido los micro-plc's, destinados a pequeñas necesidades y al alcance de cualquier persona.

Existen varios modelos y marcas; por lo regular los fabricantes de equipo electromagnético y/o electroneumático fabrican sus propios tipos de PLC. En una de las prácticas se mencionarán algunas y otras mas tendrás que investigarlas en internet.

TAREAS DE UN PLC

El Controlador Lógico Programable recibe señales binarias en su módulo de entradas, las procesa y entrega señales en su módulo de salida de acuerdo a su programa, por lo anterior es utilizado en muchas clases de equipos para automatización, por ejemplo: sistemas de control industrial en fábricas, equipo de diversión en parques, elevadores, señalización para tráfico, máquinas comerciales, máquinas de CNC, etc.

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 dijimos 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 DE UN PLC

 

Entre las 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.

El utilizar un PLC en un sistema de control nos trae muchas ventajas ya que se pueden sustituir en gran medida la utilización de relevadores electromagnéticos, temporizadores, contadores entre otros dispositivos de control tradicionales.

Lo anterior trae como consecuencia que los sistemas de control:

Puedan sufrir modificaciones según las necesidades, más rápido y a un bajo costo (sea más flexible)  

Disminuyan su mantenimiento

Utilicen menos espacio y los tableros de control sean más compactos

Puedan tener mayor comunicación con otros dispositivos de control modernos como son las computadoras.

• Tengan gran capacidad de memoria y puedan ser expandibles
• Mejoren su velocidad de respuesta
• Ofrezcan mayor seguridad tanto en funcionalidad como en factores que puedan poner en riesgo la integridad física de las personas e instalaciones.

Para empezar en la aplicación de un PLC se debe de tomar en cuenta que tal vez su costo inicial sea más alto que los controles tradicionales sin embargo su control de mantenimiento es considerablemente más bajo y ofrece mayor confiabilidad en el control.

Es control secuencial, por que solo utiliza dos estados: 0 y 1; alto y bajo; on y off. También llamado control on-off

Y entre los inconvenientes:

• Adiestramiento de técnicos.
• Costo.

En la actualidad los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas las 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 (tenemos desde pequeños autómatas por poco más de 10000 pts. hasta PLC's que alcanzan cifras escandalosas).

ARQUITECTURA DE UN PLC

Un PLC está formado de varios componentes electrónicos como: transistores, resistores, capacitares, memorias, etc. Y principalmente uno o varios microprocesadores que en conjunto forman la unidad central  y los módulos de interfaz para las entradas y salidas de datos. La estructura básica de un PLC se muestra en la figura siguiente:

 

                                                            

 A pesar de que un PLC es un dispositivo electrónico, el usuario no necesariamente debe tener conocimiento acerca de la electrónica y en especial de microprocesadores.

Según el sistema donde se tenga que aplicar, el PLC tendrá que comunicarse y/o tener relación con dispositivos auxiliares como lo son-: sensores, actuadores y fuentes externas de alimentación; lo anterior está representado en la figura siguiente:

ENTRADAS

UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

SALIDAS

Un sistema de control por PLC consta básicamente de los siguientes componenetes:

 

                                                                                CPU

                                        Estructura del PLC           Interfaz de ent. / salidas

                                                                                 Fuente de alimentación

                                                                                  

                                        Equipo programador          Consola de programación

                                                                                 PC

 

             Hardware                                                    De proximidad

                                        Sensores                           De temperatura

                                                                                 Electromagnéticos

                                                                                 Fotoeléctricos

                                                                                 Ópticos

                                                                           

                                        Actuadores                       Indicadores

                                                                                  Relevadores

                                                                                  Motores

                                       Listado de instrucciones

                   Software      Diagrama de contactos

                                       Diagrama de funciones

ESTRUCTURA DEL PLC

Estructura externa

Todos los autómatas programables, poseen una de las siguientes estructuras:

• Compacta: en un solo bloque están todos lo elementos.

• Modular:
• Estructura americana: separa las E/S del resto del autómata.

• Estructura europea: cada módulo es una función (fuente de alimentación, CPU, E/S, etc.).

Exteriormente nos encontraremos con cajas que contienen una de estas estructuras, las cuales poseen indicadores y conectores en función del modelo y fabricante.

Para el caso de una estructura modular se dispone de la posibilidad de fijar los distintos módulos en rieles normalizados, para que el conjunto sea compacto y resistente.
 

Los micro-autómatas suelen venir sin caja, en formato kit, ya que su empleo no es determinado y se suele incluir dentro de un conjunto más grande de control o dentro de la misma maquinaria que se debe controlar.

Estructura interna

Los elementos esenciales, que todo autómata programable posee como mínimo, son:

• Sección de entradas: se trata de líneas de entrada, las cuales pueden ser de tipo digital o analógico. En ambos casos tenemos unos rangos de tensión característicos, los cuales se encuentran en las hojas de características del fabricante. A estas líneas conectaremos los sensores.
• Sección de salidas: son una serie de líneas de salida, que también pueden ser de carácter digital o analógico. A estas líneas conectaremos los actuadores.
• Unidad central de proceso (CPU): se encarga de procesar el programa de usuario que le introduciremos. Para ello disponemos de diversas zonas de memoria, registros, e instrucciones de programa.

Adicionalmente, en determinados modelos más avanzados, podemos disponer de funciones ya integradas en la CPU; como reguladores PID, control de posición, etc.

Tanto las entradas como las salidas están aisladas de la CPU según el tipo de autómata que utilicemos. Normalmente se suelen emplear optoacopladores en las entradas y relés/optoacopladores en las salidas.

Aparte de estos elementos podemos disponer de los siguientes:

• Unidad de alimentación (algunas CPU la llevan incluida).
• Unidad o consola de programación: que nos permitirá introducir, modificar y supervisar el programa de usuario.
• Dispositivos periféricos: como nuevas unidades de E/S, más memoria, unidades de comunicación en red, etc.
• Interfaces: facilitan la comunicación del autómata mediante enlace serie con otros dispositivos (como un PC).

En los siguientes apartados comentaremos la estructura de cada elemento.

Memoria

Dentro de la CPU vamos a disponer de un área de memoria, la cual emplearemos para diversas funciones:

• Memoria del programa de usuario: aquí introduciremos el programa que el autómata va a ejecutar cíclicamente.
• Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas según el tipo de datos (como marcas de memoria, temporizadores, contadores, etc.).
• Memoria del sistema: aquí se encuentra el programa en código máquina que monitoriza el sistema (programa del sistema o firmware). Este programa es ejecutado directamente por el microprocesador/microcontrolador que posea el autómata.
• Memoria de almacenamiento: se trata de memoria externa que empleamos para almacenar el programa de usuario, y en ciertos casos parte de la memoria de la tabla de datos. Suele ser de uno de los siguientes tipos: EPROM, EEPROM, o FLASH.

Cada autómata divide su memoria de esta forma genérica, haciendo subdivisiones específicas según el modelo y fabricante.

CPU

La CPU es el corazón del autómata programable. Es la encargada de ejecutar el programa de usuario mediante el programa del sistema (es decir, el programa de usuario es interpretado por el programa del sistema). Sus funciones son:

• Vigilar que el tiempo de ejcución del programa de usuario no excede un determinado tiempo máximo (tiempo de ciclo máximo). A esta función se le suele denominar Watchdog (perro guardián).
• Ejecutar el programa de usuario.
• Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas.
• Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas obtenida al final del ciclo de ejecución del programa de usuario.
• Chequeo del sistema.

Para ello el autómata va a poseer un ciclo de trabajo, que ejecutará de forma continua:

Unidades de E/S

Generalmente vamos a disponer de dos tipos de E/S:

-Digital.
- Analógica.

Las E/S digitales se basan en el principio de todo o nada, es decir o no conducen señal alguna o poseen un nivel mínimo de tensión. Estas E/S se manejan a nivel de bit dentro del programa de usuario.

Las E/S analógicas pueden poseer cualquier valor dentro de un rango determinado especificado por el fabricante. Se basan en conversores A/D y D/A aislados de la CPU (ópticamente o por etapa de potencia). Estas señales se manejan a nivel de byte o palabra (8/16 bits) dentro del programa de usuario.

Las E/S son leidas y escritas dependiendo del modelo y del fabricante, es decir pueden estar incluidas sus imágenes dentro del área de memoria o ser manejadas a través de instrucciones específicas de E/S.

Interfaces

Todo autómata, salvo casos excepcionales, posee la virtud de poder comunicarse con otros dispositivos (como un PC).

Lo normal es que posea una E/S serie del tipo RS-232 / RS-422.

A través de esta línea se pueden manejar todas las características internas del autómata, incluida la programación del mismo, y suele emplearse para monitorización del proceso en otro lugar separado.

Equipos o unidades de programación

El autómata debe disponer de alguna forma de programación, la cual se suele realizar empleando alguno de los siguientes elementos:

• Unidad de programación: suele ser en forma de calculadora. Es la forma más simple de programar el autómata, y se suele reservar para pequeñas modificaciones del programa o la lectura de datos en el lugar de colocación del autómata.
•  
• Consola de programación: es un terminal a modo de ordenador que proporciona una forma más cómoda de realizar el programa de usuario y observar parámetros internos del autómata. Desfasado actualmente.

• PC: es el modo más potente y empleado en la actualidad. Permite programar desde un ordenador personal estándar, con todo lo que ello supone: herramientas más poetentes, posibilidad de almacenamiento en soporte magnético, impresión, transferencia de datos, monitorización mediante software SCADA, etc.

Para cada caso el fabricante proporciona lo necesario, bien el equipo o el software/cables adecuados. Cada equipo, dependiendo del modelo y fabricante, puede poseer una conexión a uno o varios de los elementos anteriores. En el caso de los micro-plc se escoge la programación por PC o por unidad de programación integrada en la propia CPU.
Dispositivos periféricos

El autómata programable, en la mayoría de los casos, puede ser ampliable. Las ampliaciones abarcan un gran abanico de posibilidades, que van desde las redes internas (LAN, etc.), módulos auxiliares de E/S, memoria adicional... hasta la conexión con otros autómatas del mismo modelo.

Cada fabricante facilita las posibilidades de ampliación de sus modelos, los cuales pueden variar incluso entre modelos de la misma serie.

Sensores

Los sensores son los que se encargan de transmitir las señales que estén presentes en la instalación y/o equipo hacia el PLC. El PLC trabaja con señales eléctricas, por lo tanto las que no se emitan en este modo deberán ser convertidas en señales eléctricas para que el módulo de entradas las entienda y pueda trabajar con ellas. Existen en el mercado una gran variedad de sensores, por ejemplo: de temperatura, fotoeléctricos, de límite, de presión, etc.

Actuadores

Los actuadores son los elementos que ejecutan las acciones en el mundo real, toman las señales eléctricas que están presentes en el módulo de salidas, las amplifican y/o transforman en otras formas de energía, por ejemplo para generar conmutaciones, desplazamientos (lineales, angulares), etc.

Existen en el mercado una gran variedad de actuadores, por ejemplo: indicadores, relevadores electromagnéticos, motores, electroválvulas, etc.

Software

O sistema de programación básico de enlace tiene por objeto permitir la utilización del hardware según las especificaciones indicadas por el usuario mediante un lenguaje de programación. Está constituido por el conjunto de programas destinados a permitir o a facilitar la utilización del hardware para la producción y explotación de las aplicaciones.

Independientemente de que cada fabricante entrega al usuario comprador un software propio de su marca comercial, existe la posibilidad para algunos PLC´s de programarse mediante lenguaje de programación C.

El incremento en la variedad y  complejidad en la programación de los autómatas programables requiere más que nunca de la estandarización de la misma. Bajo la dirección del IEC el estándar IEC 1131-3 (IEC 65) para la programación de PLC's ha sido definida. Alcanzó el estado de Estándar Internacional en Agosto de 1992. Los lenguajes gráficos y textuales definidos en el estándar son una fuerte base para entornos de programación potentes en PLC's. Con la idea de hacer el estándar adecuado para un gran abanico de aplicaciones, cinco lenguajes han sido definidos en total: Gráfico secuencial de funciones (grafcet).

• Lista de instrucciones (LDI o AWL).
• Texto estructurado.
• Diagrama de flujo.
• Diagrama de flujo.
• Diagrama de contactos.

En el caso particular que involucra a nuestro material de trabajo nos referiremos específicamente al software STEP 7-Micro/WIN del PLC SIEMENS  S7-200

TIPOS DE PROGRAMACIÓN DEL STEP 7 Micro/WIN

Las CPUs S7-200 (y STEP 7-Micro/WIN) asisten los siguientes lenguajes de programación:

_ La lista de instrucciones (AWL) comprende un juego de operaciones nemotécnicas que representan las funciones de la CPU.

_ El esquema de contactos (KOP) es un lenguaje de programación gráfico con componentes similares a los elementos de un esquema de circuitos.

STEP 7-Micro/WIN ofrece además dos representaciones nemotécnicas para visualizar las direcciones y las operaciones del programa: internacional y SIMATIC. Tanto la nemotécnica internacional como la de SIMATIC se refieren al mismo juego de operaciones del S7-200. Hay una correspondencia directa entre las dos representaciones, siendo idénticas las funciones de ambas. En el presente manual se utiliza la nemotécnica internacional.

Elementos básicos de KOP

Al programar con KOP, se crean y se disponen componentes gráficos que conforman un segmento de operaciones lógicas. Como muestra la figura 6-3, se ofrecen los siguientes elementos básicos para crear programas:

_ Contactos: un contacto representa un interruptor por el que circula la corriente cuando está cerrado.

_ Bobinas: una bobina representa un relé que se excita cuando se le aplica tensión.

_ Cuadros: un cuadro representa una función que se ejecuta cuando la corriente circula por él.

_ Segmentos: cada uno de estos elementos constituye un circuito completo. La corriente circula desde la barra de alimentación izquierda pasando por los contactos cerrados para excitar las bobinas o cuadros.