Fundamentos de Sistemas Lógicos y Autómatas Programables: Modelado y Control Industrial

Sistemas Lógicos (SL)

Representación de SL Combinacionales

• Funciones lógicas y Tablas de Verdad

Representación de SL Secuenciales

Los sistemas lógicos secuenciales se pueden representar de forma tabular o gráfica, utilizando herramientas como:

• Diagramas de Estado
• Redes de Petri
• Grafcet

Estado

Representa una situación específica en la que se encuentra un sistema, la cual depende de sus entradas, salidas y su historial.

Diagrama de Estados

Se utilizan para representar visualmente los cambios de estado que se producen en un sistema en respuesta a eventos o condiciones.

Redes de Petri

Una Red de Petri es un grafo orientado bipartito, utilizado para modelar y analizar el comportamiento de sistemas concurrentes, asíncronos y distribuidos.

Elementos de una Red de Petri

• Lugares: Representan los estados o condiciones en los que se puede encontrar un sistema.
• Transiciones: Sirven para unir lugares y representar eventos o acciones que provocan un cambio de estado. No puede haber dos transiciones seguidas.
• Arcos (Flechas) y Marcas: Los arcos conectan lugares y transiciones, indicando el flujo de control. Las marcas (o tokens) en los lugares representan si un estado está activo o la disponibilidad de recursos.

Estructura

Se caracteriza por la alternancia de lugares y transiciones en su grafo.

Reglas de Evolución

La dinámica de una Red de Petri se rige por la sensibilización (habilitación) y el disparo de una transición, lo que provoca el movimiento de las marcas.

Representación de Sistemas Secuenciales con Redes de Petri

En este contexto, los lugares suelen representar acciones o condiciones, las transiciones representan eventos que desencadenan esas acciones, y el marcado de la red (distribución de marcas) representa el estado actual del sistema.

Diagrama Funcional

Es un modelo de representación gráfica que describe el comportamiento de la parte de mando de un sistema automatizado, enfocándose en la secuencia de operaciones.

Grafcet (Diagrama de Control de Etapas y Transiciones)

El Grafcet (acrónimo de GRAphe Fonctionnel de Commande Étape/Transition) es una herramienta gráfica estandarizada para la descripción de automatismos secuenciales.

Requisitos Fundamentales del Grafcet

• Alternancia de etapas y transiciones.
• Cada transición puede dar paso a una o más etapas.

Conceptos Adicionales

• Macroetapa: Una etapa cuya tarea se define por medio de otro Grafcet, permitiendo la modularidad y la estructuración jerárquica de sistemas complejos.

Relación entre Grafcet y Redes de Petri

Existe una estrecha relación conceptual y de modelado entre ambas herramientas:

• Las etapas del Grafcet se corresponden con los lugares de una Red de Petri, a menudo con acciones asociadas a realizar.
• Las transiciones del Grafcet se corresponden con las transiciones de Petri, con condiciones asociadas para habilitar el paso a una o más etapas.
• El marcador binario en Grafcet (que indica si una etapa está activa o inactiva) es análogo a la presencia/ausencia de marcas en los lugares de Petri.

Reglas de Evolución del Grafcet

1. Situación Inicial: Define las etapas activas al comienzo del proceso.
2. Franqueo de una Transición: Una transición se franquea cuando está validada (su condición de franqueo es verdadera) y todas las etapas inmediatamente anteriores están activas.
3. Activación y Desactivación: Cuando una transición se franquea, se activan todas las etapas de salida asociadas y se desactivan las etapas de entrada.
4. Prioridad: En caso de activación/desactivación simultáneas de una misma etapa, la activación prevalece.
5. Disparo Simultáneo: Si simultáneamente se dispara una transición de entrada y se activa una salida, la transición de salida no se dispara en el mismo ciclo de ejecución.

Conceptos de Seguridad y Alcanzabilidad (en Grafcet/Petri)

• Red Insegura: Una situación donde el diseño del sistema impide la activación simultánea de etapas que, según la lógica del proceso, deberían poder ejecutarse en paralelo, limitando la concurrencia deseada.
• Red Inalcanzable: Se produce cuando, debido a un error de diseño o un bloqueo, el sistema no puede alcanzar un estado deseado o una combinación específica de etapas activas, a pesar de que el diseñador lo había previsto. Esto puede llevar a un estancamiento o deadlock.

Autómatas Programables (PLCs)

Un Autómata Programable (o PLC, por sus siglas en inglés, Programmable Logic Controller) es un equipo electrónico diseñado para controlar en tiempo real procesos secuenciales en un ambiente industrial. Utiliza una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones que implementan funciones lógicas, secuenciales y aritméticas mediante un programa específico. Se caracteriza por ser un sistema con hardware estándar y software configurable.

Tipos de Autómatas Programables

• Sistemas Compactos: Integran en una única unidad la CPU, la fuente de alimentación y un número mínimo de entradas/salidas (E/S). Son ideales para aplicaciones pequeñas y medianas.
• Sistemas Modulares: Compuestos por módulos separados (CPU, E/S, fuente de alimentación) que se montan en un bastidor (rack). Ofrecen gran flexibilidad y escalabilidad, permitiendo adaptar el autómata a las necesidades específicas del proceso.
• Sistemas Remotos: Una parte de los módulos de E/S se encuentra en un bastidor diferente, conectado a la CPU principal a través de una red de comunicación industrial. Permiten distribuir las E/S en grandes instalaciones o en entornos hostiles.

Entradas y Salidas (E/S) en Autómatas Modulares

Las señales que interactúan con el autómata se clasifican en entradas (recibidas del proceso) y salidas (enviadas al proceso).

Entradas (Señales de Consigna)

Son las señales que el autómata recibe del proceso. Pueden ser:

• Analógicas: Representan magnitudes físicas continuas (ej., señales de sensores de temperatura, presión, caudal, etc.).
• Digitales: Representan estados discretos (ej., señales de finales de carrera, detectores de proximidad, pulsadores, etc.).

Salidas (Señales de Control)

Son las señales que el autómata envía al proceso para controlarlo. Pueden ser:

• Analógicas: Señales continuas, generalmente en tensión o en corriente, para controlar actuadores proporcionales (ej., válvulas, variadores de velocidad).
• Digitales: Órdenes de tipo "todo o nada" (ON/OFF) que se envían a elementos indicadores o actuadores (ej., contactores, relés, lámparas, motores).

El autómata gobierna las señales de salida según el programa de control previamente almacenado en su memoria, ejecutando la lógica definida para el proceso.

Elementos Básicos de un Autómata Programable

• Fuente de Alimentación: Suministra la potencia necesaria al autómata, gestionando la tensión de entrada y, en algunos casos, baterías de respaldo para mantener la memoria.
• Unidad Central de Procesamiento (CPU) / Procesador: Es el cerebro del autómata, encargado de ejecutar el programa de control, gestionar las E/S y realizar las operaciones lógicas y aritméticas. Sus características incluyen la velocidad de procesamiento y la gestión de la memoria de uso general.
• Memoria de Programa: Almacena el programa de control desarrollado por el usuario, así como datos y configuraciones.
• Módulos de Entradas/Salidas (E/S): Permiten la comunicación del autómata con el proceso, adaptando las señales del mundo real a la lógica interna del PLC y viceversa.

Otros Elementos y Funcionalidades de los Autómatas

1. Contadores y Temporizadores: Funciones integradas en el software del PLC para el control de secuencias temporizadas y el conteo de eventos (pulsos, piezas, etc.).
2. Módulos de Comunicación: Permiten la interconexión del autómata con otros PLCs, sistemas SCADA, interfaces HMI (Human-Machine Interface) o redes industriales (ej., Profibus, Ethernet/IP).
3. Módulos de Entradas/Salidas Digitales: Ofrecen características avanzadas como aislamiento galvánico para protección, justificación de señales y diversas opciones de realización (ej., salidas a relé, a transistor o a triac).
4. Módulos de Entradas/Salidas Analógicas: Gestionan señales de tensión, intensidad y pueden incluir entradas especiales para sensores específicos (ej., termopares, RTDs).
5. Módulos Reguladores: Permiten implementar lazos de control (ej., PID) para aplicaciones de uso general, control de posición, control de temperatura, etc.
6. Entradas para Adaptadores de Recorrido (Contadores Rápidos): Permiten contabilizar pulsos a alta velocidad, útiles para encoders, sensores de posición o medidores de caudal, donde la velocidad de conteo es crítica.
7. Elementos de Programación: Incluyen terminales portátiles y computadores personales con software específico (entornos de desarrollo integrados) para el diseño, depuración y carga de programas.
8. Terminales de Explotación (HMI): Dispositivos como teclados, visualizadores o terminales integrados que permiten la interacción del operador con el autómata y el proceso, mostrando estados, alarmas y permitiendo la introducción de comandos.