Automatización Industrial y Controladores Lógicos Programables (PLC)

Automatización

La automatización es el estudio y la aplicación de la Automática al control de los procesos industriales, que tiene como consecuencia la liberación física y mental del hombre en dicha labor.

Entonces, si hablamos de “automatismo” nos referiremos a un dispositivo que realiza una labor de manera automática de acuerdo a los parámetros con los cuales ha sido diseñado. Con un sistema automático se busca principalmente aumentar la eficiencia del proceso incrementando la velocidad, la calidad y la precisión, y disminuyendo los riesgos que normalmente se tendrían en la tarea si fuese realizada en forma “manual”.

1.2 - Planteo del problema de automatización y control

En casi todas las industrias existe algunas de estas situaciones que requieren de lo que se conoce como control automático:

• Mantener una variable (ej: presión, caudal, temperatura, etc.) lo más cerca de un valor especificado, o dentro de un rango fijado.
• Determinar si una variable (como ser la presión en un equipo, o la temperatura en un producto) está cerca o ha superado un valor considerado crítico para el proceso o riesgoso para las personas y equipos que se encuentran cerca, para producir una acción que evite el problema.
• Realizar acciones de producción en función de equipos y productos, posiciones, estados (ej.: abrir una válvula).
• Pasar a una siguiente etapa de producción si se alcanzaron algunos valores de determinadas variables o se cumplieron pasos anteriores del proceso.

1.3 - Clasificación de procesos

De los cuatro casos mencionados, el primero corresponde a lo que se conoce como Control continuo de procesos, donde se miden y controlan variables continuas (presión, temperatura, etc.). Se pueden encontrar ejemplos en destilerías, petroquímicas, plantas de tratamiento de agua, entre otras.

El segundo caso también se conoce como “enclavamiento”, donde se manejan situaciones de dos posiciones (se superó o no un valor, se abrió o no una válvula). Se conoce a este tipo de control, como Control Discreto (lógico, de dos posiciones, on-off). También se pueden encontrar ejemplos en destilerías, plantas petroquímicas, etc.

El tercer caso también maneja variables discretas y se incluye en lo que se conoce como Control Discreto (o lógico) de procesos. Se pueden encontrar ejemplos en las plantas automotrices, envasadoras, etc.

El cuarto corresponde a lo que se conoce como Control Secuencial: solo si se alcanzaron algunas características, se procede a continuar con una nueva etapa en el proceso. Se pueden encontrar ejemplos en la industria farmacéutica, alimenticia, etc.

1.4 - Clases de automatismos

Por el tipo de señales que manejan, los automatismos pueden ser analógicos, digitales o híbridos. Por la arquitectura de diseño, los automatismos pueden ser de lógica cableada o de lógica programable.

Los automatismos analógicos trabajan con señales de tipo continuo dentro de un margen específico. Por lo general, los sensores y actuadores que pertenecen a este modo de automatización funcionan con señales de corriente de entre 4 y 20 mA o con señales de tensión entre 0 y 10 VDC.

Por su parte, los automatismos digitales funcionan con señales que presentan solo dos estados, es decir, abierto o cerrado, on – off. La forma de representarlos puede ser también con la presencia o ausencia de un determinado voltaje. Son ampliamente utilizados en dispositivos de proceso tales como el PLC.

Los automatismos híbridos combinan tanto los sistemas analógicos como los sistemas digitales. Por lo general, dentro de un mismo automatismo se usan variables que deben manejarse en forma analógica, por ejemplo, para medir temperatura, al igual que otras variables deben ser de tipo digital, como la detección de objetos.

Se debe recordar que aunque los dispositivos de proceso manejan señales de tipo analógico, internamente estas son transformadas a señales de tipo digital para poder procesarlas. Luego del procesamiento, dichas señales se vuelven a convertir a voltajes analógicos; si es necesario, se utilizan los mismos bits para controlar dispositivos externos.

2 - CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC)

Un Controlador Lógico Programable (PLC) es un dispositivo electrónico basado en un microprocesador (CPU: Unidad Central de Proceso) que permite el control automático de máquinas y procesos industriales. Al ser programable es de gran potencial y flexibilidad, ya que se puede adaptar a distintas situaciones de control, no obstante, una vez dotado de un programa se convierte en un equipo específico acoplado al proceso mediante sus entradas y salidas.

El programa de control se almacena en una memoria interna de tipo EEPROM (E²PROM), permaneciendo en la misma aún cuando el equipo queda sin alimentación. Si el equipo se apaga, el programa de control del usuario no se pierde, de modo que cuando se enciende nuevamente arranca desde el principio.

2.1 - CARACTERÍSTICAS GENERALES

• Diseño y construcción robusta, para su inserción en ambientes industriales.
• Flexibilidad, por su posibilidad de programación.
• Facilidad de instalación y capacidad de reutilización.
• Facilidad de expansión de acuerdo al crecimiento de complejidad.
• Facilidad de mantenimiento.
• Por su capacidad de comunicación favorece su integración en tareas de control global.

APLICACIONES

Un PLC posee las herramientas necesarias, tanto de software como de hardware, para controlar dispositivos externos, recibir señales de sensores y tomar decisiones de acuerdo a un programa que el usuario elabore según el esquema del proceso a controlar. Lo anterior significa que, además de los componentes físicos requeridos para la adaptación de señales, es necesario disponer de un programa para que el PLC pueda saber qué es lo que tiene que hacer con cada una de ellas.

Sus aplicaciones más comunes son:

• Industria automotriz.
• Control de elevadores.
• Control de procesos químicos.
• Control de nivel, presión en industrias petroleras, entre otros.

2.1.2 - COMPONENTES BÁSICOS DE UN PLC

El cerebro de un autómata programable es la CPU, la misma es la encargada de tomar (leer) las órdenes, que constituyen el programa, interpretarlas y ejecutar las acciones correspondientes, realizar cálculos, leer entradas y activar salidas, aparte de otras acciones internas.

Otra parte importante de un autómata es la MEMORIA, es decir, el lugar donde se guardan los datos, parámetros y el programa de control. El PLC dispone básicamente de dos tipos de memoria: una llamada EEPROM (E²PROM) no volátil y otra llamada RAM que es volátil. La volatilidad es la propiedad que tienen los dispositivos de memorización de perder la información almacenada cuando se corta la alimentación eléctrica.

De lo dicho en el párrafo anterior se puede inferir que existen datos que pueden perderse sin ocasionar problemas al funcionamiento global, mientras que existen otros datos, al igual que el programa, que no se pueden perder con un corte de alimentación o por una detención para mantenimiento.

2.1.3 - ENTRADAS Y SALIDAS

El PLC se comunica con el proceso mediante las ENTRADAS y mediante las SALIDAS. Las entradas son el medio a través del cual el PLC lee las variables del mundo exterior para conocer su estado. Las salidas son el medio por el cual el PLC actúa sobre el proceso. Tanto las entradas como las salidas pueden clasificarse en dos tipos:

Las entradas lógicas se caracterizan por captar del medio exterior señales que adoptan dos estados posibles, provenientes de llaves, sensores, etc., por ejemplo, detectores de nivel, termostatos, relés, etc. Por otro lado, las salidas lógicas actúan sobre dispositivos biestables como, por ejemplo, válvulas solenoide, motores (arranque o parada), alarmas, actuadores electroneumáticos y electrohidráulicos, etc.

Las entradas analógicas se caracterizan por captar variables físicas que cambian en forma continua, como, por ejemplo, la temperatura, presión, caudal, velocidad, etc. De igual modo, las salidas analógicas pueden actuar sobre procesos continuos, control de temperatura de una caldera, esto es, el manejo de la mezcla de combustible y del caudal, control de posición, válvulas reguladoras, velocidad, etc. (lazo de corriente, lazo de tensión).

Otro aspecto importante a tener en cuenta es la posibilidad de comunicación con otros PLC o PC formando sistemas Maestro-Esclavo, o bien una red supervisada por computadora o PLC de mayor potencial. Los PLC se pueden conectar de tal forma que cada uno tenga asignada una determinada tarea y se comunique con otro enviando o recibiendo información. La interconexión de varios PLC se realiza mediante alguna de las normas de transmisión serial RS485 / RS422 o bien mediante un sistema de red normalizado a través de un BUS INDUSTRIAL.

2.1.4 - ALIMENTACIÓN, SALIDAS Y ENTRADAS

Las salidas de un PLC son de distintos tipos y se adaptan a distintas necesidades, tal es así, que se dispone de tres tipos de salidas:

Módulos de salidas a relés: Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Están basados en la conmutación mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico normalmente abierto.

Módulos de salidas a Triacs: Se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna que necesiten maniobras de conmutación muy rápidas.

Módulos de salidas a Transistores a colector abierto: El uso de este tipo de módulos es exclusivo de los circuitos de CC. Igualmente que en los de Triacs, es utilizado en circuitos que necesiten maniobras de conexión/desconexión muy rápidas.

Por otro lado, por ser el PLC un dispositivo electrónico, requiere de alimentación para su funcionamiento, la cual puede ser alterna 220V, 110V o bien continua de 24V. En el caso de alimentación alterna el PLC dispone de una fuente conmutada que convierte la tensión alterna en una continua, adecuada para los componentes internos del PLC.

Las entradas pueden ser de CA o de CC, algunos PLC proveen alimentación para los sensores de campo.

2.2 - PROGRAMACIÓN

La programación es la operación de trasladar, a través del software adecuado, la lógica de control a una secuencia de órdenes interpretables y ejecutables por el autómata. La misma se puede realizar a través de una PC o bien mediante una unidad de programación (PGU).

2.2.1 - LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

Existen distintos tipos de lenguajes, siendo los más comunes el de diagramación KOP (diagrama de contactos, también llamado LADDER) y AWL (STL listado de instrucciones, el cual se asemeja a un lenguaje ensamblador donde cada orden está representada por un mnemónico, 2 o más letras que representan las siglas de una operación, por ejemplo, establecer un contacto normal abierto: LD I0.0, esta orden crea un contacto normalmente abierto cuyo nombre es I0.0). Otros lenguajes de programación son GRAFCET y FLUJOGRAMA, etc., estos son lenguajes gráficos. Cada lenguaje se adapta a distintos niveles de complejidad y tipos de control.

2.2.2 - MEMORIAS

El programa, los datos y parámetros manipulados por el PLC, se almacenan en un sector del PLC denominado MEMORIA. La memoria puede ser de dos tipos básicamente, estos son:

RAM

EEPROM

Ambas memorias tienen características que las diferencian. En principio, cualquiera de las dos memorias mencionadas consiste en un dispositivo electrónico capaz de almacenar en forma de niveles eléctricos (contactos o relés lógicos), representados por 1 (unos) 5V y 0 (ceros) 0 volt, accesibles en forma individual, o de grupos con tamaños estandarizados: byte (8), palabra (16), doble palabra (32).

Igualmente, los datos o parámetros que requiere el programa se codifican como una secuencia de niveles eléctricos que son retenidos por la memoria de usuario (RAM) en sus contactos internos.

Estos dispositivos se alimentan eléctricamente y es lógico pensar que cuando se corta la alimentación se perderán datos y programas. Esta situación no es adecuada para el caso de parámetros y del programa, ya que cada vez que se produjera un corte habría que cargarlos nuevamente. Esto no sucede debido al tipo de memoria en que se almacenan los programas, parámetros y datos importantes: se guardan en una memoria permanente. Esta memoria se denomina EEPROM, la misma no pierde los datos cuando no está alimentada. La sigla EEPROM tiene el siguiente significado:

ELECTRICALY ERASABLE PROGRAMMABLE READ ONLY MEMORY

Esto es: Memoria de Solo Lectura Programable y Borrable Eléctricamente. Este tipo de memoria, una vez grabada, se convierte en ROM (memoria de solo lectura), es decir, que su contenido no se podrá modificar ni se perderá cada vez que se apague el PLC.

Por el contrario, el otro tipo de memoria existente en un PLC es la memoria RAM. Esta es una memoria que puede leerse y escribirse, tantas veces como se requiera, es decir, la memoria RAM es volátil, perdiendo los datos cuando se suspende la alimentación eléctrica. Por ello, este tipo de memoria se utiliza para almacenar variables transitorias o valores tales como el estado de cuenta de un contador, el tiempo acumulado por un temporizador o el estado de las entradas-salidas, etc.

Por lo general, es práctica común respaldar la memoria RAM ante fallas de corta duración mediante una pila TAMPON o bien un capacitor de potencia, lo cual permite retener los datos residentes en memoria RAM durante varios días.

En general, un PLC puede disponer de los siguientes tipos de memoria de acuerdo a las operaciones básicas de acceso a la misma (escritura y lectura). De aquí surge que se pueden encontrar los siguientes tipos de memoria:

- DE SOLO LECTURA (La única operación posible es la lectura).

- DE SOLO ESCRITURA (La única operación posible es la escritura).

- DE LECTO ESCRITURA (Se pueden leer y escribir).

2.2.3 - UNIDADES DE EXPANSIÓN

Las unidades o módulos de expansión son adicionales y se conectan a la unidad principal (unidad base) mediante un bus (conjunto de cables). Estas unidades de expansión, como su nombre lo indica, permiten ampliar la cantidad y el tipo de entradas y salidas. Por ejemplo, por lo general, en la Unidad Base de un PLC no se dispone de entradas o salidas analógicas, las mismas se incorporan a través de módulos de E/S analógicas. Para el caso de las entradas y salidas digitales, en caso de requerir ampliación, también se recurrirá a módulos. En los módulos se pueden combinar entradas/salidas o bien entradas o salidas. Para PLC grandes, más de 1000 E/S, los módulos se montan en RACKs y además permiten incorporar al PLC funciones especiales.

2.2.4 - FUNCIONES ESPECIALES

Algunos PLC traen incorporadas funciones de control especializadas, como, por ejemplo, control proporcional P, PD, PID, funciones logarítmicas, radicación, etc., las cuales están incorporadas mediante módulos.

2.2.5 - CONECTIVIDAD

Cuando se piensa en una estructura de automatización eficiente, hablamos del control descentralizado o distribuido, donde se distribuyen los distintos autómatas en diversos lugares de la planta, siendo los mismos supervisados por un PLC de mayor envergadura. Por ejemplo, se puede disponer de una red de PLC S7200, supervisados por un PLC S7300. Existe la posibilidad de que a su vez los PLC se comuniquen entre sí al mismo nivel, intercambiando información.

2.2.6 - CLASIFICACIÓN

En función de la cantidad de E/S, los PLC se pueden clasificar aproximadamente en:

- NANO PLC (Hasta 32 E/S)

- MICRO PLC (Hasta 255 E/S)

- PLC PEQUEÑO (Hasta 512 E/S)

- PLC MEDIANO (Hasta 1023 E/S)

- PLC GRANDE (Más de 1023 E/S)

De acuerdo a la construcción, los PLC se pueden clasificar en PLC integrales o compactos. Estos no admiten posibilidades de expansión y en la unidad base integran varias de las funciones del PLC (UNIDAD BASE). En esta versión es posible incorporar módulos adicionales de E/S digitales en un número limitado. Por ejemplo, para el caso del MICRO PLC S7200, CPU 212 de SIEMENS admite hasta dos módulos de expansión para E/S digitales, la CPU 214 admite hasta 7 módulos de expansión.

A diferencia de los anteriores, los PLC modulares están formados por módulos que se van incorporando a un RACK (Armarios de Conexión). En estos, el módulo principal está constituido por una o más CPU, y a este módulo se van adosando los módulos de salidas, módulos de entradas, otros periféricos conectados vía buses. La característica principal de este tipo de PLC es su funcionalidad, ya que se pueden ir incorporando los módulos de acuerdo a las necesidades.

2.2.7 - CONEXIÓN DE UN PLC PARA EL CONTROL DE PROCESO

PROGRAMA

SENSORES DE CAMPO

PLC

MEMORIA

PROCESO

2.2.8 - SEÑALES DE ESTADO

El PLC interroga las entradas digitales detectando si existe nivel de tensión o no. Esto da lugar a dos estados posibles de las entradas claramente distinguibles:

ESTADO “0” = AUSENCIA DE TENSIÓN

ESTADO “1” = PRESENCIA DE TENSIÓN

A este tipo de señales o aquellos dispositivos que solo pueden adoptar dos estados diferenciados no simultáneos se los denomina BINARIOS. De esta manera, el contacto de un relé, un pulsador, un fin de carrera, etc. son dispositivos binarios. El PLC internamente solo puede manipular este tipo de información, por lo cual nos detendremos a revisar en forma breve el sistema binario y algunos de sus términos.

Aludiendo al PLC, las entradas, como las salidas digitales, se pueden considerar individualmente como puntos o contactos o bien en grupos. Cuando se toman las entradas en forma de puntos individuales, cada uno se puede asociar a un BIT (dígito binario). Un bit puede adoptar dos valores posibles, estos son 0 o 1.

2.2.9 - AGRUPAMIENTO DE BITS

Los bits se pueden agrupar en cantidades estándar, los PLC pueden utilizar los siguientes grupos:

1 grupo de 8 bits ---------> BYTE (CARÁCTER)

1 grupo de 16 bits --------> WORD (PALABRA)

1 grupo de 32 bits --------> DOUBLE WORD (PALABRA DOBLE)

A su vez, podemos establecer la siguiente relación entre los grupos:

1 DW -------> 2 W ---------> 4 B

1 W ---------> 2 B

Según lo anterior, podríamos decir que un byte de entrada al PLC estaría dado por un conjunto de las 8 entradas consecutivas: I0.0, I0.1, I0.2, I0.3, I0.4, I0.5, I0.6, e I0.7. El PLC puede procesar cada uno de los grupos mencionados como una unidad. Luego, el PLC podrá operar con entradas, salidas, u otros elementos internos en forma individual (contacto simple) o bien con grupos como BYTE, PALABRA o DOBLE PALABRA.

La siguiente figura representa en forma gráfica la relación entre los grupos mencionados y sus componentes significativos:

bMS

BYTE BYTE

PALABRA BMS Bms

D. PALABRA BMS Bms

WMS Wms bms

Donde:

bms: bit menos significativo

bMS: bit más significativo

Bms: Byte menos significativo

BMS: Byte más significativo

Wms: Word menos significativa

WMS: Word más significativa

SISTEMA DE NUMERACIÓN BINARIO

El PLC es un dispositivo electrónico digital, esto es, internamente todo lo codifica en base a dos estados posibles, esto es, trabaja en base al SISTEMA BINARIO. Por lo tanto, cualquier número debe ser representado por una combinación de dígitos que solo podrán adoptar dos valores posibles: o 1 o 0.

INTRODUCCIÓN AL PLC SIMATIC S7200

Los micro autómatas de la línea SIMATIC S7200 cuentan con distintas versiones de CPU: la línea S721x, la actual línea S722x en el rango de micro PLC y para PLC de mayor envergadura, las vigentes S7300, S7400, etc. En el rango de los micro autómatas, algunos admiten una expansión limitada, de hasta 7 módulos de entrada/salida. Las características básicas se enumeran en el APÉNDICE A del Manual.

EJECUCIÓN CÍCLICA

El PLC opera en forma cíclica realizando dicho ciclo mientras está trabajando en el proceso. Un ciclo consiste de un conjunto de operaciones a cargo del sistema operativo, y que consta de las siguientes fases: lectura de las entradas de campo y su copia en la imagen de entradas del proceso (I.E.P.), ejecución del programa en forma secuencial, verificación de las comunicaciones cuando el PLC está comunicado con otros PLC o bien con la unidad de programación o PC, a continuación se realiza una auto verificación del firmware y por último se toman las salidas guardadas por el programa en la imagen de las salidas del proceso (I.S.P.) para ser trasladadas a las salidas físicas (actualización).

CICLO DE OPERACIÓN

SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN STEP7 MICROWIN

El programa que escribe el usuario mediante la unidad de programación PG702 o bien mediante una PC, se transfiere a la memoria del PLC, memoria EEPROM, para su ejecución.

Los programas de usuario se escriben con el lenguaje MICROWIN STEP7, el cual permite la programación de los PLC de la línea S7. Este PLC permite su programación en tres lenguajes de programación:

- KOP (KOntakt Plan)

- AWL (AnzeigeWortList)

- FUP

La representación KOP (diagrama en escalera o plano de contactos) emplea la misma simbología gráfica que los tradicionales circuitos de lógica cableada, que facilita la comprensión de la lógica programada a quienes están habituados a trabajar con estos esquemas.

La representación en AWL (también denominado STL), utiliza el listado de instrucciones, es decir, el programa se convierte en una secuencia de órdenes (representadas por una sigla que hace alusión a la operación en cuestión: mnemónico).