a) Sistemas de Control basados en eventos

1. a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) • Características equipos control en los 70’s: • alto costo; • requerimiento de personal capacitado; • complejidad de las interfaces (equipos a procesos). • 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. NC NA NC NA a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) Los relés Esquemáticamente Físicamente

3. NA NC B1 B1 NA a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) Encendido con botonera partir-parar Circuito de control (Diagrama de relés) Esquemáticamente

4. PLANTA SISTEMA DE CONTROL ACCIONAMIENTOS a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) • 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”). La principal virtud de un PLC es su robustez y su capacidad de conexión con las señales provenientes de los procesos. Energía Respuesta Señales deconsigna Señalesde control Elementos de Potencia Elementos de Señal

5. a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) Los sistemas de control se pueden dividir en: • 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 i) El Controlador Lógico Programable (PLC) La CPU del PLC trabaja en forma digital (microcomputador) . 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). 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.

7. a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) Automatismos cableados y programables 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. Con un mismo “hardware” o equipo se pueden realizar distintas funciones, modificando el “softwarede configuración”. Se distinguen: • 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.

8. a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) Automatismos cableados y programables Las diferencias entre ambos automatismos puede resumirse como sigue:

9. a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) El Autómata Programable 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.

10. a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) El Autómata Programable 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”)

11. a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) El Autómata Programable Ejemplos de PLC’s compactos Ejemplo de PLC modular

12. TERMINAL DE PROGRAMACIÓN FUENTE PERIFERICOS MODULO DE MODULO DE CPU ENTRADAS SALIDAS MAQUINA O SENSORES ACTUADORES PROCESO a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O. La estructura básica de un PLC y su forma de conexión a un proceso se muestra en la siguiente figura:

13. a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O. La secuencia de operaciones de un PLC se define en base al análisis de un conjunto de entradas del sistemay, 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.

14. a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O. Bloques principales de un autómata Un PLC tiene básicamente los siguientes bloques: • Unidad Central de Proceso o Control (CPU); • Memorias internas; • Memorias de programa; • Interfaces de entrada y de salida; • Fuente de alimentación. 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.

15. a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O. Bloques principales de un autómata 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.

16. a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O. Bloques principales de un autómata El área de memoria imagenalmacena 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.

17. a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O. Bloques principales de un autómata 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.

18. a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O. Interfaces de entrada y de salida 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: • 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)

19. a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O. Interfaces de entrada y de salida 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.

20. SEÑALES EN LA INTERFAZ DE ENTRADAS A MEMORIA IMAGEN DE ENTRADAS SEÑALES DE MEMORIA IMAGEN DE SALIDAS A INTERFAZ DE SALIDAS EJECUCIÓN DELPROGRAMA a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Secuencia de ejecución del programa La forma como se ejecutan las acciones de un PLC se muestra en el siguiente esquema: Las posiciones dela memoria imagense denominan “Puntos de E/S”

21. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Modos de operación Cuando un autómata está energizado, puede encontrarse en uno de los siguientes modos o estados 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.

22. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Modos de operación • 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.

23. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Modos de operación • 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.

24. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Modos de operación Los aspectos citados se muestran en el siguiente esquema:

25. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata 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:

26. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Configuraciones de la unidad de control Existen sistemas con multiprocesadores centrales:

27. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Configuraciones de la unidad de control Un ejemplo de PLC con multiprocesa-dores centrales es el SIMATIC S5 (de Siemens)

28. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata 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

29. Estructurade bus a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata 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.

30. EstructuraEstrella a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Entradas/Salidas distribuidas En este tipo de conexión es posible la desconexión de cualquier unidad de expansión sin afec-tar el funcionamien-to del conjunto.

31. EstructuraMixta a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Entradas/Salidas distribuidas A pesar de tener procesadores independientes para cada expansión, cada una puede estar formada por varias unidades conectadas en bus entre sí.

32. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Entradas/Salidas distribuidas Una opción posible son las I/O remotas enlazadas con fibra óptica:

33. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata 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:

34. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Entradas / Salidas digitales 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).

35. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Entradas / Salidas digitales Una interfaz muy usada en circuitos industriales provenientes de interruptores (entrada CC-PNP) es:

36. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Entradas / Salidas digitales Una ejemplo de conexión de un detector de proximidad a una interfaz de entrada es la siguiente:

37. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata 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 tensiónnormalizada: 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.

38. a) Sistemas de Control basados en eventos iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata Entradas / Salidas análogas También se encuentran módulos de entradas analógicas especiales (termocuplas, Pt100, etc.) como las que se muestran a continuación:

39. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables 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”).

40. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas lógicos Se basa en la utilización de símbolos normalizados (compuertas) que representan componentes circuitales que responden al Álgebra de Boole (AND, OR, NOT, etc.), o sistemas lógicos más complejos (biestables, registros, contadores, etc.). Este esquema representa el diagrama lógico de un circuito de una alarma S que debe activarse cuando el contacto C está cerrado, y los contactos A y B en estados opuestos. Este tipo de diagrama es independiente de la tecnología de construcción (eléctrica, neumática, etc.)

41. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos (“Lógica escalera – Ladderlogic”) Expresa las relaciones entre señales binarias como una sucesión de contactos en serie y en paralelo, según las siguientes equivalencias:

42. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos (“Lógica escalera – Ladderlogic”) El editor normalmente está restringido en cuanto al número de contactoso bobinas a representar en cada línea, la ubicación de los mismos, la forma de conexiones, etc. La forma posible de contactos es la siguiente: Del mismo modo, ejemplos de representación de bobinas (PLC serie C de OMRON):

43. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos (“Lógica escalera – Ladderlogic”) Ejemplos de bloques funcionales más complejos (para el PLC de ejemplo) pueden ser:

44. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos (“Lógica escalera – Ladderlogic”) A continuación, se indican algunos aspectos a tener en cuenta en la realización de diagramas de contactos: Los contactos deben conectarse de izquierda a derecha. Si se quiere activar R2 cuando estén presentes A, D y E, podría pensarse: Lo correcto sería

45. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos (“Lógica escalera – Ladderlogic”) Se puede usar una cantidad ilimitada de contactos de entrada, e incluso repetirse cuantas veces se quiera: El número de cada salida es fijo, por lo que no puede repetirse, pero sí se puede utilizar una cantidad ilimitada de contactos asociados a ellas: Las “marcas” se utilizan de manera similar a las entradas o salidas, y su uso es muy común en los PLC’s:

46. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos e instrucciones mnemotécnicas La programación puede ser complicada o sencilla. Una condición complicada se puede descomponer en varios bloques sencillos, tal como: Los bloques se programan desde arriba hacia abajo y de izquierda a derecha (este aspecto es importante tenerlo en cuenta cuando se programa en forma mnemotécnica). Para el ejemplo anterior resulta:

47. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos e instrucciones mnemotécnicas Para el ejemplo anterior, la programación mnemotécnica para el caso del PLC’s OMRON de la Serie C sería:

48. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos e instrucciones mnemotécnicas Para programar un circuito paralelo-serie, primero debe programarse el circuito paralelo y luego el serie. Por ejemplo: En las líneas Simatic (de Siemens), la precedencia se establece a través del uso de paréntesis. También los mnemónicos son distintos.

49. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos e instrucciones mnemotécnicas Un aspecto también importante a considerar es la posición de un contacto dentro de la línea de comando. En el siguiente ejemplo, en el circuito de la izquierda, la bobina 0103 no se activará nunca, ya que el programa ejecuta las instrucciones según el orden en que están programadas. En cambio, en el circuito reestructurado de la derecha sí se activará (durante un tiempo de barrido o de “scan”).

50. a) Sistemas de Control basados en eventos iv) Programación de autómatas programables Diagramas de contactos e instrucciones mnemotécnicas Además de los contactos y las salidas, existen bloques funcionales con propiedades especiales. Un ejemplo de la estructura que suelen tener estos bloques es: