UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA

DIVISI~N DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA '

'i,

TITULO DEL TRABAJO: SISTEMAS DE CONTROL Y AUTOMATIZACI~N A PARTIR DE UN PLC.

ALUMNO: GARCIA ORDÓÑEZ VICTOR MANUEL

MATRICULA: 93220845

PARA LA OBTENCIóN DEL GRADO DE LICENCIATURA EN ELECTR~NICA

GRADO OBTENIDO : INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTR~NICA

ASESOR VICTOR HUGO TÉLLEZ ARRIETA

JUNIO DE 2002

Introducción a los PLC

Hasta no hace mucho tiempo el control de procesos industriales se hacía de forma cableada por medio de contactores y relés. Al operario que se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exigía tener altos conocimientos técnicos para poder realizarlas y posteriormente mantenerlas. Además, cualquier variación en el proceso suponía modificar fisicamente gran parte de las conexiones de los montajes, siendo necesario para ello un gran esfberzo técnico y un mayor desembolso económico.

En la actualidad, no se puede entender un proceso complejo de alto nivel desarrollado por técnicas cableadas. La computadora y los autómatas programables han intervenido de forma considerable para que este tipo de instalaciones se hayan visto sustituidas por otras controladas de forma programada.

El PLC Industrial (PLCI) nació como solución al control de circuitos complejos de automatización. Por lo tanto se puede decir que un PLCI no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas automáticos. A é1 se conectan los captadores (finales de carrera, pulsadores, ...) por una parte, y los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, pequeños receptores,.. .) por otra.

Esquema de un PLC, el TSX17-10

Definición de PLC

Se entiende por Controlador Lógico Programable (PLC), 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.

Campos de aplicación

Un PLC 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 PLC industriales, dejando de lado los pequeños PLC 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 e inconvenientes de los PLC's

Entre la 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 PLC. Menor tiempo de puesta en funcionamiento. Si el PLC queda pequeño para el proceso industrial puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.

Y entre los inconvenientes:

Adiestramiento de técnicos. costo. A dia de hoy los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas la 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.

Pequeña reseña histórica

Los PLC's se introdujeron por primera vez en la industria en 1960 aproximadamente. La razón principal de tal hecho íhé la necesidad de eliminar el gran costo que se producía al reemplazar el complejo sistema de controI basado en relés y contactores. Bedford Associates propuso algo denominado Controlador Digital Modular (MODICON, Modular DIgital CONtroler) a un gran fabricante de coches. Otras compañias propusieron a la vez esquemas basados en computadora, uno de los cuales estaba basado en el PDP-8. El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente.

El problema de los relés era que cuando los requerimientos de producción cambiaban también lo hacía el sistema de control. Esto comenzó a resultar bastante caro cuando los cambios íheron frecuentes. Dado que los relés son dispositivos mecánicos y poseen una vida limitada se requería una estricta manutención planificada. Por otra parte, a veces se debían realizar conexiones entre cientos o miles de relés, lo que implicaba un enorme esíherzo de diseño y mantenimiento.

Los "nuevos controladores" debían ser fácilmente programables por ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida debía ser largo y los cambios en el programa tenían que realizarse de forma sencilla. Finalmente se imponía que trabajaran sin problemas en entornos industriales adversos. La solución fué el empleo de una técnica de programación familiar y reemplazar los relés mecánicos por relés de estado sólido.

A mediados de los 70 las tecnologías dominantes de los PLC eran máquinas de estado secuenciales y CPU basadas en desplazamiento de bit. Los AMD 2901 y 2903 íheron muy populares en el Modicon y PLC's A-B. Los microprocesadores convencionales cedieron la potencia necesaria para resolver de forma rápida y completa la lógica de los pequeños PLC's. Por cada modelo de microprocesador había un modelo de PLC basado en el mismo. No obstante, el 2903 íhé de los más utilizados.

Las habilidades de comunicación comenzaron a aparecer en 1973 aproximadamente. El primer sistema hé el bus Modicon (Modbus). El PLC podía ahora dialogar con otros PLC's y en conjunto podían estar aislados de las máquinas que controlaban. Tambien podían enviar y recibir señales de tensión variables, entrando en el mundo analógico. Desafortunadamente, la falta de un estándar acompañado con un continuo cambio tecnológico ha hecho que la comunicación de PLC's sea una confusión de sistemas fisicos y protocolos incompatibles entre si. No obstante h é una gran década para los PLC's.

En los 80 se produjo un intento de estandarización de las comunicaciones con el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General Motor's. También fué un tiempo en el que se redujeron las dimensiones del PLC y se pasó a programar con programación simbólica a través de computadoras personales en lugar de las clásicos terminales de programación. Hoy día el PLC más pequeño es del tamaño de un simple relé.

Los 90 han mostrado una gradual reducción en el número de nuevos protocolos, y en la modernización de las capas fisicas de los protocolos más populares que sobrevivieron a los 80. El último estándar (IEC 1 13 1-3) intenta unificar el sistema de programación de todos los PLC en un Único estándar internacional. Ahora disponemos de PLC's que pueden ser programados en diagramas de bloques, lista de instrucciones y texto estructurado al mismo tiempo.

Los PC están comenzando a reemplazar al PLC en algunas aplicaciones, incluso la compañía que introdujo el Modicon 084 ha cambiado al control basado en PC. Por lo cual, no sería de extrañar que en un futuro no muy lejano el PLC desaparezca frente al cada vez más potente PC, debido a las posibilidades que las computadoras pueden proporcionar.

Estructura. Conceptos generales

La mejor opción para el control de procesos industriales es el empleo de PLC's programables. Estos aparatos se basan en el empleo de un microcontrolador para el manejo de las entradas y salidas. La memoria del aparato contendrá tanto el programa de usuario que le introduzcamos como el sistema operativo que permite ejecutar secuencialmente las instrucciones del programa. Opcionalmente, en la mayoría de los PLC, también se incluyen una serie de funciones pre-implementadas de uso general (como reguladores PID).

La mayor ventaja es que si hay que variar el proceso basta con cambiar el programa introducido en el PLC(en la mayoría de los casos). Otra ventaja es que el PLC también nos permite saber el estado del proceso, incluyendo la adquisición de datos para un posterior estudio.

Estructura externa

Todos los PLC 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 PLC. Estructura europea: cada módulo es una íünción (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 railes normalizados, para que el conjunto sea compacto y resistente.

Los micro-PLC’s 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

MEMORIA:

- Sistema operativo - Memoria de E/S - Programa de usuario - Memoria de estados internos - Salvaguarda de datos - Variables internas alimentacidn

I I I I I 1

I I I

Expansión E/S

- Red indusrial - EIS adicionales - E/S especiales

- SENSORES - RS-485 - ACTUADORES - RS-232

Los elementos esenciales, que todo PLC 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 caracter 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 dePLC que utilicemos. Normalmente se suelen emplear optoacopladores en las entradas y relédoptoacopladores 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 PLC va a ejecutar cíclicamente. Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas segh el tipo de datos (como marcas de memoria, temporizadores, contadores, etc.). Memoria del sistema: aquí se encuentra el programa en código máquina que monitorea el sistema (programa del sistema o firmware). Este programa es ejecutado directamenrte por el microprocesador/microcontrolador que posea el PLC. 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 PLC divide su memoria de esta forma genérica, haciendo subdivisiones específicas según el modelo y fabricante.

CPU

EL CPU es el corazón del PLC programable. Es el encargado 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 fbnciones son:

Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no excede un determinado tiempo máximo (tiempo de ciclo máximo). A esta fhción 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 PLC va a poseer un ciclo de trabajo, que ejecutará de forma continua:

""""""_ 1Imagen de las1 <--- Entradas I entradas 1

I t v """"""_

(Ejecución dell 1 programa de 1 I usuario 1 ""-""""

I 1 v

_"""""" \Imagen de las1 ---> Salidas I salidas I """_"""

I I v

"-""""" 1 WATCHDOG I """"""-

Unidades de E/S (Entrada y salida de datos)

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 el CPU (ópticamente o por etapa de potencia). Estas señales se manejan a nivel de byte o palabra ( U 6 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 PLC, salvo casos excepcionales, posee la virtud de poder comunicarse con otros dispositivos (como una 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 PLC, incluida la programación del mismo, y suele emplearse para monitorización del proceso en otro lugar separado.

Equipos o unidades de programación

El PLC 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 PLC, y se suele reservar para pequeñas modificaciones del programa o la lectura de datos en el lugar de colocación del PLC. Consola de programación: es un terminal a modo de computadora que proporciona una forma más cómoda de realizar el programa de usuario y observar parámetros internos del PLC. Desfasado actualmente. PC: es el modo más potente y empleado en la actualidad. Permite programar desde una PC 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 sohardcables 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 PLC 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 PLC’s del mismo modelo.

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

Ciclo de trabajo de un PLC

El PLC va a ejecutar nuestro programa de usuario en un tiempo determinado, el cual va a depender sobre todo de la longitud del programa. Esto es debido a que cada instrucción tarda un tiempo determinado en ejecutarse, por lo que en procesos rápidos será un factor crítico.

En un sistema de control mediante PLC programable tendremos los siguientes tiempos:

l. Retardo de entrada. 2. Vigilancia y exploración de las entradas. 3. Ejecución del programa de usuario. 4. Transmisión de las salidas. 5. Retardo en salidas.

Los puntos 2,3 y 4 sumados dan como total el tiempo de ciclo del PLC. Tras este ciclo es cuando se modifican las salidas, por lo que si varian durante la ejecución del programa tomarán como valor el último que se haya asignado.

Esto es así debido a que no se manejan directamente las entradas y las salidas, sino una imagen en memoria de las mismas que se adquiere al comienzo del ciclo (2) y se modifica al final de éste (retardo).

En la etapa de vigilancia (watchdog) se comprueba si se sobrepasó el tiempo máximo de ciclo, activándose en caso afirmativo la señal de error correspondiente.

Lenguajes de programación

Cuando surgieron los PLC programables, lo hicieron con la necesidad de sustituir a los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y relés. Por lo tanto, la comunicación hombre-maquina debería ser similar a la utilizada hasta ese momento. El lenguaje usado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación. Estos lenguajes han evolucionado, en los ultimos tiempos, de tal forma que algunos de ellos ya no tienen nada que ver con el típico plano eléctrico a relés.

Los lenguajes más significativos son:

Lenguaje a contactos: LD ó KOP Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al elaborar cuadros de automatismos. Muchos PLC incluyen módulos especiales de sofkware para poder programar gráiicamente de esta forma.

Lenguaje por Lista de Instrucciones: IL ó AWL En los PLC de gama baja, es el Único modo de programación. Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que se asocian a los símbolos y su combinación en un circuito eléctrico a contactos. También decir, que este tipo de lenguaje es, en algunos casos, la forma más rápida de programación e incluso la más potente.

GRAFCET Es el llamado G r s c o de Orden Etapa Transición. Ha sido especialmente diseñado para resolver problemas de automatismos secuenciales. Las acciones son asociadas a las etapas y las condiciones a cumplir a las transiciones. Este lenguaje resulta enormemente sencillo de interpretar por operarios sin conocimientos de automatismos eléctricos.

Muchos de los PLC que existen en el mercado permiten la programación en GRAFCET, tanto en modo gráfico o como por lista de instrucciones.

También podemos utilizarlo para resolver problemas de automatización de forma teórica y posteriormente convertirlo a plano de contactos.

n

PLANO DE FUNCIONES: FBD El plano de hnciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a técnicos habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la simbología usada en ambos es equivalente.

Un paseo por la Estructura Interna del PLC

Entradas y salidas

Salvo excepciones y ampliaciones, los PLC presentan 8 entradas (E) normales de lbit: E32.0 ... E32.7 y 2 entradas especiales de lbit: E33.0 y E33.1. Estas últimas tienen la peculiaridad de funcionar como entradas digitales o como entrada de alarma (E33.0) y entrada rápida (E33.1). Hay 6 salidas (A), de lbit cada una: A32.0 ... A32.5

Marcas de memoria

También son denominadas como variables de memoria. Son de propósito general, es decir, podremos emplearlas en lo que deseemos. Se distinguen dos tipos de marcas de memoria:

Remanentes: Estas marcas permanecerán en memoria aunque apaguemos el PLC. En total hay 64 bytes de memoria para estas marcas, por lo que tendremos 512 marcas remanentes de 1 bit cada una: MO.0 ... M63.7. No remanentes: Estas marcas se borrarán en cuanto apaguemos el PLC. También tenemos 64 bytes destinados a estas marcas, por lo que tendremos 5 12 marcas no remanentes de 1 bit cada una: M64.0 .._ M127.7. Hay que destacar que las marcas se ponen a cero cada vez que reseteamos el PLC. Esta característica nos puede ser de mucha utilidad en algunos casos.

Registros y acumuladores

Todas las operaciones que hagamos con las entradas y las salidas se deben efectuar en algún sitio. Para ello, se definen:

Registro de estado (VKE): Su tamaño es de 1 bit. Aqui es donde efectuaremos las instrucciones combinacionales, la carga de entradas y la asignación de salidas a nivel de bit. Acumuladores (AKKUl y AKKU2): Sus tamaños son de 16 bits cada uno. Cada vez que carguemos un dato en los acumuladores se seguirá la siguiente secuencia: Contenido de AKKU2 ==> Se pierde el contenido Contenido de AKKU1 ===> AKKU2 DATO => AKKUl

A su vez, cuando realicemos una operación entre AKKU's (como suma o resta) el resultado se introducirá en el AKKU1, perdiéndose el valor antes allí contenido.

Temporizadores y contadores

Varían en fbnción de marcas y modelos, pero los más usados suelen incorporar 32 temporizadores: TO ... T3 1 y 32 contadores: ZO . .. 23 1

De los 32 contadores, 8 no se borran al desconectar el PLC (son remanentes), dichos contadores son ZO a 27. Para consultar el estado de cada uno de ellos podremos usarlos como si fberan entradas (mediante operaciones combinacionales) o introduciendo su valor en los AKKU.

Constantes

A la hora de cargar datos en acumuladores, temporizadores, registros, &c. tendremos varias posibilidades en la forma de introducir el dato:

K B : 8 bits (O a 255 en decimal). KC: 8 bits (2 caracteres alfanuméricos). K F : 16 bits (no en coma fija, +32768 a -32768). K H : 16 bits (no hexadecimal, O000 a FFFF). K M : 16 bits (binario natural). KY: 16 bits (2 bytes, O a 255 en decimal cada uno). KT: 16 bits (valor de preselección de temporizadores, 0.0 a 999.3 en decimal). K Z : 16 bits (valor de preselección de contadores, O a 999 en decimal).

Estructura del programa

Vamos a tener dos opciones para escribir el programa:

Lineal: Se emplea un Único módulo de programa (OB1). Este módulo se procesa cíclicamente, es decir, tras la última instrucción se volverá a ejecutar la primera. Si la tarea a controlar es simple esta es la mejor forma. Estructurada: Para el caso de tareas complejas es más conveniente dividir el programa en módulos. Mediante esta forma logramos un programa más claro y adquirimos la posibilidad de poder llamar a un módulo desde distintas partes del programa (lo que evita repetir código).

+""-+ 1 1 ===> +""-+ I I I I 1 I <== +""-+ I OB1 I I I => +""-+ I I I I ==> +""-+ I I I I I I 1 I 1 1 <=- +""+ I I <=== +""-+ +""-+

En la programación estructurada se comienza y termina en el módulo OBI, desde el cual saltaremos y retornaremos a los módulos que nos interesen. Por supuesto se podrá saltar desde un módulo a otro (anidado), siempre que no superemos los 16 niveles de salto que permite como máximo el PLC. Otras limitaciones son: El salto de un módulo a otro debe ser siempre hacia adelante (ej. Se podrá saltar de PB 1 a PB2, pero no a la inversa). No se pueden dar dos saltos a un mismo módulo desde el módulo actual. (ej. No se podrá saltar dos veces a PB3 desde PB2, pero si puede saltarse a PB3 desde distintos módulos). Tanto en la programación lineal como en la estructurada los módulos acabarán mediante la instrucción BE. La memoria del PLC S5-90U está limitada a 2K bytes. Cada instrucción ocupa generalmente 2 bytes, por lo que dispondremos de 1000 lineas de programa aproximadamente.

Tipos de módulos

Generalmente, existen cuatro tipos de módulos en cualquier PLC programable:

Módulos de organización (OB): Son los que gestionan el programa de usuario. Numerados OBl ,OB3 ,0B21 y OB22. Destacar el OB 1 , que es el módulo del programa principal, el OB3, que es el que contiene el programa controlado por alarma, y el OB1 3, que es el módulo para programas controlados por tiempo. El OB22 es empleado por el sistema operativo.

Módulos de programa (PB): Son los que incluyen el programa de usuario dividido, normalmente, según aspectos hcionales o tecnológicos. PBO . . . PB63 Módulos fbncionales (FB): Son módulos de programa especiales. Aquí se introducen las partes de programa que aparecen con frecuencia o poseen gran complejidad. Poseen un juego de instrucciones ampliado. FBO ... FB63 Módulos de datos (DB): En ellos se almacenan datos para la ejecución del programa, como valores reales, textos, etc. Adoptan los valores: DBO ... DB63 Los módulos DB1 y DB2 se emplean para definir las condiciones internas del PLC, por lo que no deben emplearse.

256 palabras de datos. Para emplear un módulo de datos es necesario activarlo previamente (como se verá más adelante). La mayor ventaja que aportan es la facilidad para variar el proceso que controlan, ya que basta con cambiar el programa introducido en el PLC (en la mayoría de los casos). Otra ventaja es que el PLC también nos permite saber el estado del proceso, incluyendo la adquisición de datos para un posterior estudio.

Estándar IEC 1 13 1-3

La creciente complejidad en la programación de los PLC programables requiere más que nunca de la estandarización de la misma. Bajo la dirección del E C el estándar IEC 1 13 1-3 (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 kerte 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 hnciones (grafcet) Lista de instrucciones (LDI o AWL) Texto estructurado Diagrama de flujo Diagrama de contactos Gráfico secuencial de hnciones (grafcet) El gráfico secuencial de hnciones (SFC o Graficet) es un lenguaje gráfico que proporciona una representación en forma de diagrama de las secuencias del programa. Soporta selecciones alternativas de secuencia y secuencias paralelas. Los elementos básicos son pasos y transiciones. Los pasos consisten de piezas de programa que son inhibidas hasta que una condición especificada por las transiciones es conocida. Como consecuencia de que las aplicaciones industriales hncionan en forma de pasos, el SFC es la forma lógica de especificar y programar el más alto nivel de un programa para PLC.

Lista de instrucciones La lista de instrucciones (IL o AWL) es un lenguaje de bajo nivel, similar al lenguaje ensamblador. Con ZT, solo una operación es permitida por línea (ej. almacenar un valor en

un registro). Este lenguaje es adecuado para pequeñas aplicaciones y para optimizar partes de una aplicación.

Texto estructurado El texto estructurado (structured text o ST) es un lenguaje de alto nivel estructurado por bloques que posee una sintaxis parecida al PASCAL. El ST puede ser empleado para realizar rápidamente sentencias complejas que manejen variables con un amplio rango de diferentes tipos de datos, incluyendo valores analógicos y digitales. También se especifica tipos de datos para el manejo de horas, fechas y temporizaciones, algo importante en procesos industriales. El lenguaje posee soporte para bucles iterantes como REPEAR UNTIL, ejecuciones condicionales empleando sentencias IF-THEN-ELSE y funciones como SQRT() y SIN().

Diagrama de contactos El diagrama de contactos (ladder diagram LD) es un lenguaje que utiliza un juego estandarizado de símbolos de programación. En el estándar IEC los símbolos han ido racionalizando (se ha reducido su número).

Diagrama de hnciones El diagrama de funciones (function block diagram o FBD) es un lenguaje gráfico que permite programar elementos que aparecen como bloques para ser cableados entre si de forma análoga al esquema de un circuito. FBD es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flujo de información o datos entre componentes de control.

Organización de tareas El estándar también define una nueva arquitectura para la organización e interacción de tareas con PLC's. Una tarea controla la ejecución de un programa ejecutandolo periódicamente o en respuesta a un específico evento. Para optimizar los recursos del controlador, una aplicación puede ser fragmentada en un número de pequeños programas concretos. Cada programa está bajo el control de una tarea que se ejecuta a la velocidad que requiera la E/S asociada.

Bloques de hnciones Los bloques de funciones (FB's) son bloques estándar que ejecutan algoritmos como reguladores PID. El estándar IEC asegura que los FB's son definidos empleando una metodología estándar. Hay controles empleando parámetros externos, mientras que los algoritmos internos permanecen ocultos empleando Programación Orientada a Objetos.

Tema 3: Sistemas Lógicos. Álgebra de Boole

Funciones generales

Las operaciones combinacionales más comunes se realizan con los bloques de fünciones básicas, conexión serie, paralelo, negación, etc. Todas las fünciones AND, OR, XOR, NAND y NOR tienen tres entradas y una salida. Si deseamos realizar operaciones con más de tres entradas, se conectan varios bloques en cascada:

x"

La hnción inversora, NOT, tiene una entrada y una salida. Y la hnción OR exclusiva (XOR) posee dos entradas y una salida.

Funciones especiales

Temporizador con retardo a la conexión Activa la salida Q una vez que ha transcurrido el tiempo programado.

Temporizador con retardo a la desconexión Desactiva la salida una vez transcurrido el tiempo programado. El temporizador se pone en marcha en flanco descendente

Relé de impulsos Tiene el mismo fbncionamiento que un telerruptor. La salida cambia de estado, de O a 1, cada vez que cambia la señal en la entrada Trg.

Reloj Permite controlar los instantes de activación y desactivación de la salida en un día de la semana y a una hora determinada.

Relé de automantenimiento Función biestable R-S. Permite realizar la función paro-marcha típica de los automatismos a contactores. La situación no permitida R=l S=l se soluciona dando preferencia a R.

Generador de pulsos Genera pulsos de reloj a intervalos iguales. Funcionamiento similar a un intermitente.

Temporizador a la conexión con memoria De fbncionamiento similar al temporizador a la conexión, pero con la característica que no es necesario mantener la señal en Trg.

Contador progresivoh-egresivo Permite contar y descontar los pulso aplicados a su entrada CNT.

Contador de horas de servicio Permite medir el tiempo que está activada la entrada En. Esta fbnción solamente se puede utilizar como bloque inicial.

Relé de supresión Activa la salida hasta que haya transcurrido el tiempo de T. Si éste no ha terminado y Trg se pone a O la salida también lo hace. Esta fbnción solamente se puede utilizar como bloque inicial.

Conmutador de valor de umbral para frecuencias Permite contar los impulsos aplicados a su entra y dependiendo de &os conmufar la salida. En el Logo! L con entras a 24v, la entrada I12 esta preparada para procesos de cómputo rápidos: máx. 150 Hz Esta función solamente se puede utilizar como bloque inicial.

Registros y acumuladores

Todas las operaciones que hagamos con las entradas y las salidas se deben efectuar en algún sitio. Para ello, se definen:

Registro de estado (VKE): Su tamaño es de 1 bit. Aquí es donde efectuaremos las instrucciones combinacionales, la carga de entradas y la asignación de salidas a nivel de bit. Acumuladores (AKKU1 y AKKU2): Sus tamaños son de 16 bits cada uno. Cada vez que carguemos un dato en los acumuladores se seguirá la siguiente secuencia: Contenido de AKKU2 =-> Se pierde el contenido Contenido de AKKUl => AKKU2 DATO =-> AKKU1

A su vez, cuando realicemos una operación entre AKKU's (como suma o resta) el resultado se introducirá en el AKKU1, perdiéndose el valor antes allí contenido.

Temporizadores y contadores

Varían en función de marcas y modelos, pero los más usados suelen incorporar 32 temporizadores: TO . . . T3 1 y 32 contadores: ZO . . .Z3 1

De los 32 contadores, 8 no se borran al desconectar el autómata (son remanentes), dichos contadores son ZO a 27. Para consultar el estado de cada uno de ellos podremos usarlos como si fueran entradas (mediante operaciones combinacionales) o introduciendo su valor en los AKKU.

Constantes

A la hora de cargar datos en acumuladores, temporizadores, registros, etc. tendremos varias posibilidades en la forma de introducir el dato:

K B : 8 bits (O a 255 en decimal). KC: 8 bits (2 caracteres alfanuméricos). KF: 16 bits (no en coma fija, +32768 a -32768). KH: 16 bits (no hexadecimal, O000 a FFFF) . KM: 16 bits (binario natural). KY: 16 bits (2 bytes, O a 255 en decimal cada uno). KT: 16 bits (valor de preselección de temporizadores, 0.0 a 999.3 en decimal). K Z : 16 bits (valor de preselección de contadores, O a 999 en decimal). Estructura del programa

Vamos a tener dos opciones para escribir el programa:

Lineal: Se emplea un Único módulo de programa (OB1). Este módulo se procesa cíclicamente, es decir, tras la última instrucción se volverá a ejecutar la primera. Si la tarea a controlar es simple esta es la mejor forma, Estructurada: Para el caso de tareas complejas es más conveniente dividir el programa en módulos. Mediante esta forma logramos un programa más claro y adquirimos la posibilidad de poder llamar a un módulo desde distintas partes del programa (lo que evita repetir código).

+""-+ I I ="-> +""-+ I I I I 1 I <=== +""-+ I OB1 I I I ===> +""-+ I I 1 I ==> +""-+ I I I I I I I I 1 1 <= +""+ I I <"- +""-+ +""-+

En la programación estructurada se comienza y termina en el módulo OB 1 , desde el cual saltaremos y retornaremos a los módulos que nos interesen. Por supuesto se podrá saltar desde un módulo a otro (anidado), siempre que no superemos los 16 niveles de salto que permite como máximo el autómata. Otras limitaciones son: El salto de un módulo a otro debe ser siempre hacia adelante (ej. Se podrá saltar de PBl a PB2, pero no a la inversa). No se pueden dar dos saltos a un mismo módulo desde el módulo actual. (ej. No se podrá saltar dos veces a PB3 desde PB2, pero si puede saltarse a PB3 desde distintos módulos). Tanto en la programación lineal como en la estructurada los módulos acabarán mediante la instrucción BE. La memoria del autómata S5-90U está limitada a 2K bytes. Cada instrucción ocupa generalmente 2 bytes, por lo que dispondremos de 1000 lineas de programa aproximadamente. Tipos de módulos

Generalmente, existen cuatro tipos de módulos en cualquier PLC programable:

Módulos de organización (OB): Son los que gestionan el programa de usuario. Numerados OBl ,OB3,0B21 y OB22. Destacar el OB 1 , que es el módulo del programa principal, el OB3, que es el que contiene el programa controlado por alarma, y el OB13, que es el módulo para programas controlados por tiempo. El OB22 es empleado por el sistema operativo.

Módulos de programa (PB): Son los que incluyen el programa de usuario dividido, normalmente, según aspectos funcionales o tecnológicos. PBO . . . PB63

Módulos fbncionales (FB): Son módulos de programa especiales. Aquí se introducen las partes de programa que aparecen con frecuencia o poseen gran complejidad. Poseen un juego de instrucciones ampliado. F B O ... FB63 Módulos de datos (DB): En ellos se almacenan datos para la ejecución del programa, como valores reales, textos, etc. Adoptan los valores: DBO ... DB63 Los módulos DBl y DB2 se emplean para definir las condiciones internas del PLC, por lo que no deben emplearse.

256 palabras de datos. Para emplear un módulo de datos es necesario activarlo previamente (como se verá más adelante). L a mayor ventaja que aportan es la facilidad para variar el proceso que controlan, ya que basta con cambiar el programa introducido en el autómata (en la mayoría de los casos). Otra ventaja es que el PLC también nos permite saber el estado del proceso, incluyendo la adquisición de datos para un posterior estudio.

Ejemplos de aplicación

Control de los movimientos de subida y bajada de un ascensor

Descripción: Cada planta tiene un pulsador de llamada, que cuando es accionado, la cabina se posiciona en dicha planta.

LOS pulsadores del interior de la cabina, son los mismos que los que se encuentran en el exterior, por lo tanto no necesitan programación, ya que se conectarán en paralelo de forma cableada.

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Leyenda: I1 : Pulsador de llamada de la la planta. 12: Pulsador de llamada de la 2" planta. 13: Pulsador de llamada de la 3" planta. 14: Final de carrera de la 1" planta. 15: Final de carrera de la 2" planta. 16: Final de carrera de la 3" planta. Ql: Salida gobierno del contactor de subida. 4 2 : Salida gobierno del contactor de bajada.

Movimientos: Cada uno de los movimientos está controlado por un biestable. En la entrada Set se

establecen las condiciones de hncionamiento y en el Reset las parada. Por ejemplo: para que el ascensor suba desde la primera planta a la tercera, movimiento XI, será necesario que el final de carrera I4 esté accionado y se pulse I3 (S=I4*13). Cuando la cabina llega arriba, el pulsador I6 es accionado deteniendo el movimiento.

Todos lo movimientos de subida (Xl , X 2 y X3) activarán Q1 y todos lo movimientos de bajada (X3, X4 y X5) activarán Q2.

En las ecuaciones de las salidas, se realizará el producto negado de la variable de salida contraria, para evitar cortocircuitos en el circuito de fuerza. Hay que tener en cuenta, que se gobernará un motor trifásico a 22Ov o 38Ov.

Ecuaciones Lógicas:

Movimientos : x1: S= 14*13 R = 16 x2: S = 14'12 R = I5 3 3 : S= 15*13

R = I6

x4: S = 16 *11 R = 14 E: S = 15*1l R = 14 X6: S = 16 *12

R = 15

Resultados en las salidas: Ql = (X1 +x2 + x3@2 Q2 = (X4 + X 5 +X6)>Q1

Circuito lógico:

;;l

I