Diseño de un PLC mediante un microcontrolador para un sistema electroneumático (página 2)

Con los equipos disponibles en laboratorio de neumática se realiza el siguiente montaje;

Figura 2. Sistema de transporte de paquetes por deslizaderos.

Para poner a prueba el (PLC) diseñado mediante un microcontrolador, se diseña un circuito electroneumático que permite poner en uso el número de entradas y salidas destinadas en el equipo. Es entonces que se crea una actividad de tipo industrial o didáctica que cumpla las características de manejo (I, Q), el oficio directo es automatizar el funcionamiento de la máquina dispuesta. El sistema de transporte de paquetes por deslizaderos requiere de los siguientes elementos neumáticos, electroneumáticos y accesorios;

Tabla 1. Elementos básicos del montaje electroneumático.

El accionamiento del sistema comienza cuando el paquete cae de la rampa de entrada y es detectado por el sensor de proximidad S.1, este envía una señal digital a la válvula 5/2 Y1 haciendo que el vástago del actuador neumático 1.0 vaya a más (+) y suba el paquete, inmediatamente el sensor de proximidad S.2 detecta el paquete enviando una señal a la válvula 5/2 Y2 haciendo que el vástago del actuador neumático 2.0 vaya a (+) empujando el paquete hacia la rampa de salida, un sensor magnético de final de carrera S.3 envía una señal a Y3 haciendo que el actuador retorne a menos (-), al estar el actuador 2.0 en posición inicial un sensor magnético S.4 envía una señal a la válvula 5/2 Y4 para hacer que el actuador neumático 1.0 retorne a la posición inicial es decir que vástago vaya a (-) y así nuevamente comience un nuevo ciclo cuando caiga otro paquete.

Figura 3. Circuito electroneumático. [4]

Para dar solución a un montaje electroneumático se debe disponer de un cuadro eléctrico y de potencia, es decir se emplean una fuente de poder AC/DC según disposición de electroválvulas, sensores, relevos, y cableado eléctrico. Muchas veces la solución se vuelve complicada por la cantidad de elementos eléctricos y las redes que se deben diseñar sin que los equipos neumáticos se bloquen, de tal forma que el uso de un PLC es otra manera de que todo se encuentre en una simple caja de control.

3. SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR Y DISEÑO DEL PROGRAMA

Para el proyecto se utiliza los microcontroladores PIC de la Microchip, son componentes electrónicos de fácil consecución en el mercado, además de su fácil manipulación y bibliografía expuesta. Existen diferentes modelos de PIC; el uso de uno o de otro depende de la exigencia del proyecto diferenciándose por el número de líneas de E/S y por los recursos que se ofrecen. Una descripción detallada de cada tipo de PIC está disponible en el sitio web de la Microchip Technology.Inc donde se puede encontrar información técnica, software de apoyo, ejemplos de aplicación y actualizaciones disponibles.

Figura 4. Pines del PIC16F84A / Microchip Technology.

Como se puede ver, el PIC16F84A esta dotado de un total de 18 pines dispuestos en dos hileras paralelas de 9 pines cada una. [1]

Los pines RA y RB representan las líneas de E/S (Entrada/Salida) disponibles para la aplicación.

Los pines 5 y 14 son los pines de alimentación y tierra.

Y los pines 4, 15, 16 son reservados para el funcionamiento del PIC (MCLR para el reset y OSC1-2 para el clock).

Otras consideraciones para la selección del microcontrolador; [3]

• Tecnología de baja potencia y alta velocidad CMOS Flash/EEPROM, versión para bajo consumo (16F84A), de 4 MHz. Un ciclo máquina del PIC son 4 ciclos de reloj, por lo cual si tenemos un PIC con un cristal de 4 MHz, se ejecutarán 1 millón de instrucciones por segundo.
• Posee un repertorio de 35 Instrucciones.
• 15 registros de funciones especiales.
• Memoria de programa Flash de 1 K x 14 bits.
• Memoria RAM dividida en 2 áreas: 22 registros de propósito específico (SFR) y 68 de propósito general (GPR) como memoria de datos.
• Memoria de datos EEPROM de 64 bytes.
• ALU de 8 bits y registro de trabajo W del que normalmente recibe un operando que puede ser cualquier registro, memoria, puerto de Entrada/Salida o el propio código de instrucción.
• Puede operar bajo 4 modos diferentes de oscilador.
• Programación en serie a través de dos pins.
• Voltaje de alimentación de 5 v/DC.

3.1 Programación del PIC

En primer lugar se requiere de un software de ambiente agradable en entorno Windows donde poder realizar y simular el programa para el diseño del PLC, para esto se tiene el IDE (Integrate Development Enviroment) es decir, Ambiente de Desarrollo Integrado más conocido como MPLAB. Este software será el encargado de compilar el código fuente creado, que no es más que el conjunto de instrucciones que se edita en el MPLAB V.5.0 y que tienen extensión .asm. Se selecciona esta versión por ser esta la que menos recursos de software y hardware necesita para trabajar con ella. El software funciona perfectamente en Win 98/ XP, es gratuito y se encuentra en la web de la Microchip.

En Mplab se edita las diferentes directivas e instrucciones de programa, se debe conocer muy bien las diferentes instrucciones y es aquí donde se plasma la capacidad e intuición de programación. Una vez bien depurado el programa, este genera un archivo de salida con extensión .hex.

Teniendo claro y específicamente lo que queremos hacer con el PIC se comienza a elaborar el programa; se sabe que se quieren activar 4 entradas y 4 salidas, esto se determina mediante el sistema electroneumático a automatizar. En este sistema no se utilizan temporizadores entonces se omiten en el programa, pero se si requiere de rutinas de ordenamiento.

Se establece las entradas y salidas del PIC que luego serán las mismas para el PLC, estas se muestran en la siguiente tabla; (DIR*/ Direcciones)

Tabla 2. Entradas y salidas para el PIC /PLC.

Figura 5. Modulo de E/S para el PLC.

Se tiene en cuenta que las entradas (I) al PLC son los sensores de proximidad y las salidas (Q) son solenoides de las electroválvulas.

En el editor de texto se genera el archivo plc.asm, que es el archivo que se puede simular en Mplab para determinar su buen funcionamiento.

Figura 6. Escritorio y editor de texto de MPLAB.

El programa no se publica completamente en este artículo por su extensa edición, pero aquí se muestran algunas ventanas auxiliares del funcionamiento del PIC.

Figura 7. Ventana auxiliar / Memoria del programa.

Figura 8. Ventana auxiliar / Hex code display.

Figura 9. Ventana auxiliar/ Registro de funciones especiales.

Al finalizar la compilación del programa se genera el archivo plc.hex "Código fuente" que es el archivo para volcarlo en el PIC.

El archivo .hex no es un archivo en formato binario y no refleja directamente el contenido que deberá tener la memoria de programa (FLASH o EEPROM) del PIC. Pero los formatos reflejarán directamente cuando sean transferidos al PIC en forma de bajo nivel y con algunas instrucciones más. [3]

Sin entrar en detalles es útil saber que tal formato es directamente reconocido por el hardware del PIC que promueve durante la programación la conversión en binario del código de operación (Código OP).

3.2 Grabado del PIC

Usualmente se denomina quemado o volcado cuando se refiere a la transferencia del archivo .hex al PIC, pero técnicamente se reconoce que es un simple grabado de memoria.

Ahora se debe contar con un hardware y un nuevo software necesario para poder transferir el archivo plc.hex al PIC. En la actualidad se han desarrollado una cantidad de interfases y hardware muy útiles por cierto, pero cada uno en dependencia del tipo de microcontrolador.

Para este proyecto se utilizo la interfase Epic Programmer V.1.41 es un software gratuito que se encuentra en la web, hay que tener cuidado pues esta interfase solo es funcional para win 95 /98, en nuestro caso se utilizo una PC con win 98. El hardware TO-20SE, es un circuito electrónico simple para el grabado de microcontroladores. Básicamente se busca que la interfase y el modulo de grabado sean compatibles en su funcionamiento.

También se puede utilizar el ICPROG que es funcional para win XP, pero en este caso se recomienda trabajar con el hardware JDM.

El siguiente paso fue desarrollar el grabador del PIC, este soporta diferentes microcontroladores de 18 y 8 pines (gama media y baja). Se hace el montaje con un plano electrónico de soporte y el resultado es el siguiente;

Figura 10. Hardware. Programador TO-20SE.

El programador dispone de una conexión hacia puerto paralelo de la PC, es allí donde radica la comunicación del Epic y la transferencia del código .hex al microcontrolador. Para un correcto funcionamiento se carga primero en la interfase de usuario, siendo el más conocido y usado el Epic Programmer V.1.41, ahora desde el botón (open file) se llama el archivo plc.hex que usualmente se encuentra en la carpeta de Mplab y este automáticamente se carga en pantalla, luego se realiza los ajustes de funcionamiento del PIC; perro guardián, tipo de oscilador, código de protección, power up, etc.

Figura 11. Escritorio del EPIC. V.1.41

Cuando las condiciones de funcionamiento se encuentran establecidas, se inicia el grabado del PIC mediante el botón (Program), el PIC debe estar en blanco o borrado para que la acción del sistema sea confiable.

Ya listo el microcontrolador con el programa cargado, el paso siguiente es disponerlo en el diseño electrónico de PLC para el trabajo específico a desarrollar.

4. DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO DEL PLC

Bajo la programación de un microcontrolador se realiza el diseño de un PLC, todas las tareas de excitación de entrada y salida del PIC se acoplan a un sistema electrónico que permiten enlazar la parte eléctrica y de potencia que requiere un controlador lógico programable.

El PLC se compone de una fuente de trabajo interna a 5v/DC, 4 entradas digitales con amplificación de señal, 4 salidas análogas con amplificación y relés (Na, Nc), 4 líneas a gnd, integrados con bucles, oscilador de cristal 4Mhz para PIC 16F84A, algunas resistencias y condesandores para brindar seguridad y funcionamiento.

Para el conexionado de las entradas"actuadores, pulsadores, sensores, etc.," y salidas "relevos, electroválvulas, motores, etc.," del PLC se requiere de una fuente externa de 24V/DC, pues los elementos como sensores y electroválvulas del proyecto trabajan con ese nivel de voltaje.

Figura 12. PLC. Estructura interna.

Figura 13. Conexionado del PLC con sistema electroneumático.

4.1 Puesta del circuito electroneumático comandado por el PLC

Teniendo los parámetros de funcionamiento del sistema electroneumático queda no más realizar el montaje en un banco didáctico que permita la representación de la forma física del sistema y ponerlo a prueba.

Se coloca cada uno de los accesorios neumáticos y electroneumáticos en el panel frontal, se pone a prueba el compresor, unidad de mantenimiento con regulación efectiva de presión, y se realiza la conexión eléctrica entre los sensores de proximidad, electroválvulas y el PLC. Se energiza el PLC con AC/DC requeridas y se deja pasar el primer paquete que se simula por un bloque de madera.

El funcionamiento otorga buena confiabilidad a la creación del PLC, de todas maneras se realizan ajustes de velocidad en los vástagos de los actuadores neumáticos

para que el sistema se pueda observar de una forma más precisa.

Figura 13. Montaje electroneumático y PLC.

5. CONCLUSIONES

Las tecnologías integradas (mecánica, electrónica, sistemas) permiten desarrollar trabajos específicos de automatización al alcance de todos. El anterior proyecto solo ha sido probado a nivel de laboratorio y no industrial.

A pesar que existen comercialmente PLC´S de diferentes tamaños, modulares, de varias E/S, de comunicación con PC para la programación o de mando directo desde su mismo panel frontal, hay que tener en cuenta que los costos y la diferencia de programación entre fabricantes los hace aún de difícil adiestramiento a técnicos o personal que trabajan con los mismos. La tecnología es muy cerrada y poco abierta en el mercado colombiano.

Para el diseño del PLC mediante un microcontrolador, las programaciones más utilizadas (Kop, Fup, Awl) ya no se tienen en cuenta, ahora estrictamente depende de las rutinas grabadas en la memoria del PIC mediante un lenguaje de computadora.

6. BIBLIOGRAFÍA

[1]ANGULO, José M. Microcontroladores PIC, Diseño práctico de aplicaciones. Segunda edición. McGraw Hill, 1999.

[2]GARCIA, Hugo. Teoría de programación de autómatas. Ed. Limusa, 1990.

[3]URUÑUELA, José M. Microprocesadores, Principios y Aplicaciones. Mc. Graw Hill, 1989.

[4]VICENT, Giró Ll. Circuitos básicos de ciclos neumáticos y electroneumáticos. Segunda edición. Marcambo, 1989.

Autor:

Oscar Geovany Gaitán R.

Ingniero Mecánico.

Profesor Catedrático

Universidad de Ibagué