1 a) Sistemas de Control basados en eventos Características equipos control en los 70’s: alto costo; requerimiento de personal capacitado; complejidad de las interfaces (equipos a procesos). i) El Controlador Lógico Programable (PLC) 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 (Gp:) NA (Gp:) NC a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC) (Gp:) NA (Gp:) NC Físicamente Esquemáticamente Los relés
3 Circuito de control (Diagrama de relés) Encendido con botonera partir-parar Esquemáticamente (Gp:) NA (Gp:) NC (Gp:) B1 (Gp:) B1 (Gp:) NA a) Sistemas de Control basados en eventos i) El Controlador Lógico Programable (PLC)
4 a) Sistemas de Control basados en eventos 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”). i) El Controlador Lógico Programable (PLC) Energía Respuesta Señalesde control Señales deconsigna (Gp:) SISTEMA DE CONTROL (Gp:) ACCIONAMIENTOS (Gp:) PLANTA Elementos de Señal Elementos de Potencia La principal virtud de un PLC es su robustez y su capacidad de conexión con las señales provenientes de los procesos.
5 a) Sistemas de Control basados en eventos Los sistemas de control se pueden dividir en: i) El Controlador Lógico Programable (PLC) 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 La CPU del PLC trabaja en forma digital (microcomputador) . i) El Controlador Lógico Programable (PLC) 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. 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).
7 a) Sistemas de Control basados en eventos 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. Automatismos cableados y programables 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. Con un mismo “hardware” o equipo se pueden realizar distintas funciones, modificando el “software de configuración”. Se distinguen: i) El Controlador Lógico Programable (PLC)
8 a) Sistemas de Control basados en eventos Las diferencias entre ambos automatismos puede resumirse como sigue: Automatismos cableados y programables i) El Controlador Lógico Programable (PLC)
9 a) Sistemas de Control basados en eventos 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. El Autómata Programable i) El Controlador Lógico Programable (PLC)
10 a) Sistemas de Control basados en eventos 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”) El Autómata Programable i) El Controlador Lógico Programable (PLC)
11 a) Sistemas de Control basados en eventos Ejemplos de PLC’s compactos Ejemplo de PLC modular El Autómata Programable i) El Controlador Lógico Programable (PLC)
12 a) Sistemas de Control basados en eventos La estructura básica de un PLC y su forma de conexión a un proceso se muestra en la siguiente figura: ii) Arquitectura. Interfaces I/O. (Gp:) (Gp:) TERMINAL DE (Gp:) PROGRAMACIÓN (Gp:) (Gp:) SENSORES (Gp:) (Gp:) (Gp:) MAQUINA O (Gp:) PROCESO (Gp:) (Gp:) MODULO DE (Gp:) ENTRADAS (Gp:) (Gp:) MODULO DE (Gp:) (Gp:) SALIDAS (Gp:) (Gp:) CPU (Gp:) (Gp:) (Gp:) PERIFERICOS (Gp:) (Gp:) (Gp:) FUENTE (Gp:) ACTUADORES
13 La secuencia de operaciones de un PLC se define en base al análisis de un conjunto de entradas del sistema y, 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. a) Sistemas de Control basados en eventos ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
14 a) Sistemas de Control basados en eventos Un PLC tiene básicamente los siguientes bloques: Bloques principales de un autómata 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. Unidad Central de Proceso o Control (CPU); Memorias internas; Memorias de programa; Interfaces de entrada y de salida; Fuente de alimentación. ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
15 a) Sistemas de Control basados en eventos 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. Bloques principales de un autómata ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
16 a) Sistemas de Control basados en eventos El área de memoria imagen almacena 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. Bloques principales de un autómata ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
17 a) Sistemas de Control basados en eventos 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. Bloques principales de un autómata ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
18 a) Sistemas de Control basados en eventos 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: Interfaces de entrada y de salida 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) ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
Interfaces de entrada y de salida 19 a) Sistemas de Control basados en eventos 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. ii) Arquitectura. Interfaces I/O.
20 La forma como se ejecutan las acciones de un PLC se muestra en el siguiente esquema: Secuencia de ejecución del programa (Gp:) SEÑALES EN LA INTERFAZ DE ENTRADAS A MEMORIA IMAGEN DE ENTRADAS (Gp:) SEÑALES DE MEMORIA IMAGEN DE SALIDAS A INTERFAZ DE SALIDAS (Gp:) EJECUCIÓN DELPROGRAMA Las posiciones dela memoria imagense denominan “Puntos de E/S” iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
21 Cuando un autómata está energizado, puede encontrarse en uno de los siguientes modos o estados de operación: Modos 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. iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
22 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. Modos de operación iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
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. Modos de operación iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos 23
Los aspectos citados se muestran en el siguiente esquema: Modos de operación iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos 24
25 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: iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
26 Configuraciones de la unidad de control Existen sistemas con multiprocesadores centrales: iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
27 Un ejemplo de PLC con multiprocesa-dores centrales es el SIMATIC S5 (de Siemens) Configuraciones de la unidad de control iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
28 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 iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
29 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. (Gp:) Estructurade bus iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
30 En este tipo de conexión es posible la desconexión de cualquier unidad de expansión sin afec-tar el funcionamien-to del conjunto. (Gp:) EstructuraEstrella Entradas/Salidas distribuidas iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
31 A pesar de tener procesadores independientes para cada expansión, cada una puede estar formada por varias unidades conectadas en bus entre sí. (Gp:) EstructuraMixta Entradas/Salidas distribuidas iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
32 Una opción posible son las I/O remotas enlazadas con fibra óptica: Entradas/Salidas distribuidas iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
33 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: iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
34 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). Entradas / Salidas digitales iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
35 Una interfaz muy usada en circuitos industriales provenientes de interruptores (entrada CC-PNP) es: Entradas / Salidas digitales iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
36 Una ejemplo de conexión de un detector de proximidad a una interfaz de entrada es la siguiente: Entradas / Salidas digitales iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
37 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 tensión normalizada: 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. iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
38 También se encuentran módulos de entradas analógicas especiales (termocuplas, Pt100, etc.) como las que se muestran a continuación: Entradas / Salidas análogas iii) Ciclo de funcionamiento y configuración del autómata a) Sistemas de Control basados en eventos
39 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”). iv) Programación de autómatas programables a) Sistemas de Control basados en eventos
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