Kitabı oku: «Puesta en marcha de sistemas de automatización industrial. ELEM0311»

Capítulo 1

Técnicas de programación de los autómatas programables, pantallas táctiles y paneles de operador

1. Introducción

Desde que en 1968 apareció el primer Programmable Controller (Programador Programable) o PC, como propuesta de reemplazo electrónico de sistemas de lógica cableada cuya programación era realizada por personal con nivel medio de formación en electricidad, empleando un método basado en diagramas eléctricos utilizados en automatización industrial y mediante el uso de ordenadores industriales, hasta hoy, el autómata programable ha ido evolucionando gracias a los avances producidos en el campo de la electrónica, ofreciendo día a día mayores prestaciones. Dichas prestaciones son, por ejemplo, una mayor velocidad de respuesta, la disminución de tamaño, programación utilizando ordenador personal, mayor almacenamiento de datos, capacidades de autodiagnóstico, aviso de averías y módulos remotos de entradas/salidas, controles de posición, movimiento, procesos y de control distribuido (DSC), lenguajes de programación más potentes, desarrollo de comunicaciones y de redes complejas. Todas estas mejoras permiten al autómata cubrir cualquier área industrial, alcanzando niveles de potencias similares a un ordenador personal.

Este capítulo tratará de identificar cada uno de los distintos aspectos relacionados con los autómatas programables, como constitución, uso, programación, comunicaciones y dispositivos asociados.

2. Conceptos: unidad central de proceso y módulos de entrada y salida

En EE. UU. y Japón el autómata industrial se denomina como Programmable Logic Controller (Controlador Lógico Programable) o PLC. A pesar de que PLC está bajo propiedad intelectual desde 1974, a partir de 1980 el sector de la automatización norteamericana y japonesa emplea este acrónimo de forma genérica para denominar a un autómata industrial. En Europa se denomina como Autómata Programable o AP.

De una manera informal, el autómata industrial programable puede ser considerado como un computador especial, dotado de conexiones para conectar dispositivos que interactúan con el proceso industrial que controla. Esta definición permite una primera aproximación al concepto, pero para conocerlo formalmente, se debe recurrir a la definición dada por la norma IEC 61131, incorporada al estado español mediante la norma UNE-EN61131.

Nota

En siguientes apartados de este mismo capítulo se verá una aproximación a la norma IEC61131.

Según la IEC 61131, un autómata programable (AP o PLC) es:

Una máquina electrónica programable diseñada para ser utilizada en un entorno industrial (hostil), que utiliza una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario, para implantar soluciones específicas, tales como funciones lógicas, secuencias, temporización, recuento y funciones aritméticas, con el fin de controlar mediante entradas y salidas, digitales y analógicas diversos tipos de máquinas o procesos.

Analizando la definición anterior, se puede deducir que un autómata programable, debe ser un equipo electrónico que permita:

1 Ser instalado en ambientes donde las condiciones de trabajo sean duras.

2 Ser capaz de poder sustituir a un automatismo cableado tradicional, realizando las mimas funciones que este mediante la ejecución de un programa almacenado en una memoria.

Esta definición no determina, al menos en parte, las directrices de los componentes internos que debe tener un autómata programable que se pueden resumir en los siguientes:

1 Un elemento capaz de trabajar con instrucciones.

2 Un elemento capaz de almacenar datos.

3 Un elemento que sirva de enlace entre los procesos externos y el interior del autómata programable.

Así pues, la propia definición de IEC determina los elementos que debe disponer un autómata programable. Traducidos cada uno de estos elementos a materiales electrónicos, se define que el elemento capaz de trabajar con instrucciones debe ser una Unidad Central de Procesos (CPU), el elementoalmacén debe ser una memoria y el elemento-enlace corresponde a un módulo de entradas y salidas.

En los siguientes apartados se desarrollan estos componentes.

2.1. Estructura del autómata industrial

La estructura de un autómata se refiere a los aspectos constructivos que determinan el propio autómata como producto físico. En base a esto, se puede considerar la estructura como el conjunto formado de lo que hay dentro con lo que lo rodea. De esta forma se definirán expresiones como estructura interna y estructura externa.

Un autómata industrial está formado por los siguientes bloques funcionales básicos:

1 Unidad Central (UC): formada a su vez por el procesador y la memoria.

2 Interfaz o módulo de entradas y de salidas: formado por los componentes electrónicos que reciben las señales eléctricas enviadas por los elementos que recogen la información del proceso, y por los componentes electrónicos que envían las señales a los elementos que actúan sobre el proceso.

3 Interfaz de periféricos: formado por los componentes electrónicos donde se conectan los dispositivos electrónicos que complementan al autómata en el control del proceso industrial, como pueden ser: consola de programación de programación, unidades de almacenamiento (discos), unidades de impresión (impresoras), unidades de visualización (display), interfaces hombre-máquina (HMI), otros autómatas u ordenadores PC, etc.

Nota

El sistema de entradas y salidas habitualmente se denomina como módulo E/S o módulo I/O (Input/Output).

En la siguiente imagen, se representa el esquema completo de todos los elementos anteriormente citados.

Al igual que cualquier otro equipo electrónico, el autómata programable necesita ser alimentado de energía eléctrica para su funcionamiento. La unidad que se encarga de ello se denomina Fuente de Alimentación (FA).

Recuerde

Las unidades o bloques funcionales básicos de un autómata programable son los elementos mínimos para que este pueda realizar su función. Estos elementos son:

Unidad Central (UC), Interfaz o Módulo de entrada/salida (E/S), Interfaz de periféricos (IP), Fuente de alimentación (FA).

Estructura externa

La estructura externa corresponde al aspecto físico exterior que presenta el autómata en relación a los elementos o módulos que lo componen. Por tanto en función de cómo se interconectan las distintas unidades o bloques funcionales básicos, se obtendrán diferentes formas o formatos de autómatas programables.

Por ejemplo, si todas las unidades funcionales básicas se protegen con una sola envolvente o caja, generalmente de tipo plástico, se obtiene un autómata programable de tipo compacto. El formato habitual que ofrecen estos autómatas es ubicar en el frontal del mismo todas las conexiones e indicadores, quedando distribuidos como sigue:

1 El módulo de entradas se ubica en la zona superior.

2 El módulo de salidas se ubica en la zona inferior.

3 La conexión para la fuente de alimentación se ubica en un extremo de la zona superior o de la zona inferior, dependiendo del PLC.

4 La zona central se divide en dos bloques principales, uno correspondiente a los indicadores de estado y otro destinado a las interfaces de conexión.

La envolvente suele disponer de orificios u ojales para atornillar a un tablero, así como el preformado o moldeado necesario para ser instalado sobre carril normalizado.

En cambio, si cada una de las unidades funcionales básicas se instala como tarjetas independientes, el autómata es de tipo modular. Este diseño está realizado en base a una caja denominada bastidor o rack que suele contener una o dos unidades funcionales básicas (unidad central y/o fuente de alimentación), y una placa electrónica que realiza las funciones de bus externo denominada blackplane. En este blackplane se encuentran disponibles los buses de datos, de direcciones y de control, así como de suministro eléctrico para las unidades independientes. El blackplane contiene los conectores o bahías de conexión donde se insertan cada unidad funcional.

La envolvente puede ser de material metálico o plástico. Cada unidad contiene la parte correspondiente de la envolvente para que cuando estén montados formen un solo conjunto. Los módulos quedan fijados mediante los correspondientes anclajes.

Estructura interna

Por otro lado, la estructura interna hace referencia a los componentes electrónicos que componen el autómata programable.

Con independencia de quién fabrique el PLC o de qué modelo sea, internamente todos los modelos constan de los siguientes bloques o módulos:

1 Unidad Central de Proceso (Central Processing Unit-CPU)

2 Memoria

3 Módulos de E/S

4 Fuente de alimentación (FA)

En la imagen anterior, se observan con detalle los bloques o unidades funcionales básicas descritas anteriormente además de los distintos buses de internos, sin olvidar los elementos necesarios para su funcionamiento, fuente de alimentación y batería e interfaces de E/S, comunicación, programación y periféricos.

Descripción de las unidades básicas del PLC

Las unidades básicas del PLC son los elementos mínimos y necesarios que constituyen el propio PLC. A continuación, se procede a describir las unidades funcionales básicas en detalle.

Unidad Central de Proceso (CPU) del autómata

La Unidad Central de Proceso es considerada como el cerebro del autómata industrial. Su misión es ejecutar el programa de usuario e indicar a los módulos de E/S que realicen las transferencias de los valores de las variables E/S a las áreas de memorias correspondientes. Por otro lado, en caso necesario, puede establecer comunicación con los periféricos.

La CPU ejecuta, en primera instancia el programa monitor o firmware, para posteriormente ejecutar el programa de usuario. La realización de estos procesos son de tipo secuencial, de forma que se van decodificando y ejecutando cada instrucción contenida en las memorias. De acuerdo a estas instrucciones, la CPU realizará, según proceda, los cambios pertinentes en los registros especiales (temporizadores, contadores, RLO, acumuladores, etc.), las actuaciones en correspondientes en las interfaces de E/S y las operaciones de autodiagnóstico.

Definición

Programa monitor o firmware

Es el sistema operativo (SO) del PLC. Este programa controla su funcionamiento. Cada fabricante desarrolla un firmware específico para cada tipo de PLC, que lo almacena en un chip no accesible por el usuario, y en determinados modelos de PLC, de acuerdo a las instrucciones facilitadas por el fabricante, se puede actualizar.

La CPU está formada principalmente por dos bloques:

1 Unidad de control: controla el acceso de todos los dispositivos conectados a la CPU mediante la generación de las señales de control y las líneas de direcciones. En este bloque se encuentran las siguientes subunidades:Contador de programa (PC): realiza la lectura de las instrucciones de usuario, y en consecuencia la secuencia de ejecución.Decodificador de instrucciones y secuenciador: genera las señales de control en base a la decodificación de las instrucciones realizadas.Programa ROM monitor del sistema: contiene la secuencia de puesta en marcha, las rutinas de ejecución de test y error, etc.

2 Unidad Operativa: es la encargada de realizar las operaciones lógicas, operaciones aritméticas y las operaciones de transferencia de datos. En este bloque se encuentran las siguientes subunidades:ALU (Unidad Aritmética Lógica): realiza las operaciones aritméticas y lógicas, que corresponde a combinaciones de operaciones AND, OR, sumas, comparaciones, etc.Acumulador: es el registro que almacena el resultado de la última operación realizada en la ALU.Flags o indicadores de estado: almacena en un registro un indicador del resultado de la operación, que queda disponible para su consulta cuando es necesario. Un tipo especial de este tipo de indicadores es el RLO (Registro Lógico de Operaciones), con formato de un bit.

El diseño electrónico de una CPU se realiza en base a dos tecnologías de implementación:

1 Uso de microprocesador estándar, que corresponde al diseño tradicional de un sistema microinformático o de ordenador PC, empleando microprocesadores o microcontroladores comerciales. Se utiliza en PLC de gama baja.

2 Uso de CPU basada en circuitos de lógica cableada, que se basa en realizar un circuito integrado de diseño propio, utilizando dispositivos lógicos programables (PLD), matrices de puertas de campo programables (FPGA), circuitos de aplicaciones específicas (ASIC), etc., que ofrecen mejores prestaciones que el caso anterior, por lo que se emplea en gamas media y alta.

En algunos autómatas programables, con objeto de reducir costes de producción sin perder el rendimiento que ofrecen las CPU basadas en circuitos de lógica cableada, la implementación de la CPU se organiza en base a la utilización de dos microprocesadores, trabajando coordinadamente. De esta forma, una CPU actúa como principal (CPU Lógica), realizando tareas correspondientes a la ejecución del código o programa de aplicación, así como procesado de mensajes, mientras que la otra CPU se comporta como CPU secundaria (CPU de BUS o CPU blackplane), realizando tareas de control y operaciones correspondientes a los módulos de entrada y salidas. La CPU secundaria no altera el tiempo de la ejecución del programa de usuario del autómata programable.

La CPU Lógica tiene control total de las zonas de memoria de sistema y de usuario, mientras que comparte el control sobre la zona de memoria de datos con la CPU de blackplane.

Actividades

1. Compare el diseño descrito de la CPU del PLC con la CPU de una computadora PC, e indique las diferencias que encuentre entre ambas.

Memoria del PLC

La memoria es la encargada de almacenar los datos e instrucciones del programa, las variables de entrada y salida, así como los datos de configuración del propio PLC.

Dependiendo del área de trabajo a que se destine puede emplearse distiendas clases de memorias, que se analizan a continuación.

Tipos de memoria del PLC

La memoria de un PLC puede estar implementada utilizando algunas de los siguientes tipos de memoria:

1 ROM (Read Only Memory – Memoria de solo lectura): memorias en las que solo se pueden realizar accesos de lectura. La escritura de los datos contenidos en ellas se graban o escriben durante el proceso de fabricación, por lo que no se pueden alterar su contenido.

2 PROM (Programmable Read Only Memory – Memoria programable solo una vez): programables por el usuario antes de su utilización, por lo que una vez grabadas los datos permanecen inalterables y solo permiten accesos de lectura.

3 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory – ROM programable borrable): reprogramable por el usuario previa eliminación del contenido actual de la misma. La grabación de los datos se realiza aplicando una fuente de luz ultravioleta a través de una ventana que tiene la EPROM. Realizada la grabación, se tapa la ventana para que la información permanezca inalterable.

4 EAROM (Electrically Alterable Read Only Memory – ROM modificable electricamente) o EEPROM (Electrically Erasable PROM - PROM Borrable Electricamente): son similares a la anteriores pero se reprograma in situ aplicando unos determinados niveles de tensión eléctrica.

5 RAM (Random Access Memory – Memoria de Acceso Aleatorio): memoria que permite procesos de lectura y escritura por medios eléctricos. La información solo permanece en la memoria mientras la RAM esté alimentada eléctricamente.

6 NVRAM (Non - Volatile Random Access Memory – RAM no volatil): RAM que no pierde la información al eliminar la alimentación eléctrica. Básicamente está formada por una RAM y una EEPROM.

Además de por el tipo, existen otros parámetros que definen la memoria del PLC:

1 Capacidad o Tamaño: este tamaño representa el número total de bits que se pueden almacenar en el interior de la memoria. Su valor se expresa en función del máximo tamaño del programa que permite el PLC. Dependiendo del fabricante del PLC, la unidad de capacidad suele expresarse como Kpasos o Kinstrucciones.

2 Tiempo de acceso: es el tiempo requerido para leer o acceder a cualquier posición de la memoria. Está determinado de acuerdo a la tecnología de la CPU.

Actividades

2. ¿Cree que seleccionar una memoria de tipo EEPROM como memoria RAM es una opción adecuada para un PLC? Justifique su respuesta.

Organización de la memoria del PLC

La organización de la memoria de un PLC se denomina mapa de memoria. Este mapa está dividido en las siguientes secciones:

1 Memoria de sistema: es el área de la memoria que contiene el programa que permite el funcionamiento del PLC. Este programa recibe el nombre de ejecutivo o firmware. Esta área es reservada para uso de la CPU quedando una parte accesible por el usuario. Dispone de un espacio de memoria destinado al almacenamiento temporal de las tareas de inicialización del PLC. Esta área recibe nombres distintos dependiendo del fabricante.

2 Memoria de datos: es el área que contiene las zonas de memoria reservadas a:Tablas de imagen de E/S.Almacenamiento de variables internas de un solo bit (relés internos comunes), relés internos especiales y auxiliares, como marcas, indicadores (flags) de estados de error o alarmas.Almacenamiento de variable de varios bit (temporizadores, contadores, registros de uso general (caracteres y mensajes ASCII, tablas de números, entradas/salidas BCD), registros de almacenamiento de operaciones lógicas y o resultados o los variables digitalizadas de las entradas analógicas).

3 Memoria del usuario: es el área donde se alojan las instrucciones del programa del usuario.

En cada área se suelen utilizar tecnologías de memorias diferentes, así en la memoria de sistema son de tipo ROM y derivadas, mientras que en el resto suele ser de tipo RAM y derivadas.

Tabla de E/S PLC

Cuando la CPU lee los datos de las variables de entradas, estas las almacena en la tabla de E/S. Por tanto, debe haber una relación directa entre la entrada, la posición que ocupa en la tabla la variable de esa entrada y el conjunto de variables que forman una dirección. Este conjunto de variables corresponden a un módulo de E/S del PLC. La forma de determinar cada conjunto depende del fabricante, por ejemplo, Omron las denomina como canal. El tamaño de este conjunto depende del número de bits que pueda procesar la CPU, siendo valores habituales de 8,16 y 32 bits.

Para saber cómo se almacenan las variables de E/S, observe la siguiente imagen. En ella se muestra cómo la identificación de la variable de entrada en la tabla de E/S queda definida por la relación que hay entre el módulo de E/S y la posición del bit E/S. Por ejemplo, en la imagen la entrada activa a 1 es la entrada 11 del módulo N, mientras que la salida activa a 1 corresponde al bit 6 del módulo M (salida 6, módulo M).

Actividades

3. Un interruptor cerrado, que equivale a 1 lógico, está conectado a la entrada 130078. Represente gráficamente el módulo de entrada y la tabla imagen E/S indicando la dirección de la palabra correspondiente.

Buses internos del PLC

La unión entre los diferentes componentes electrónicos que componen cada módulo interno del PLC, se realiza mediante los conductores eléctricos impresos en la placa electrónica del PLC. Cuando estos módulos se encuentran en distintas placas electrónicas, la unión eléctrica entre estas se realiza mediante conectores eléctricos.

Definición

Bus

Son los conductores eléctricos que transmiten un conjunto de información del mismo tipo.

En un PLC existen los siguientes buses:

1 Bus de datos: transporta los datos o las instrucciones que la CPU envía al resto entre los dispositivos conectada a ella.

2 Bus de dirección: transporta las direcciones que le permiten a la CPU seleccionar una posición de memoria determinada.

3 Bus de control: transporta las señales de control electrónico que envía la CPU al resto de los dispositivos conectada a ella.

4 Bus del sistema de entradas y salidas: transporta las señales correspondientes a los módulos de entradas y salidas, así como los correspondientes a las interfaces de programación y periféricos.

En los PLC compactos estos buses son de tipo interno. Si el PLC compacto permite ampliación, dispone de un conector accesible desde el exterior del mismo al que se conectan los módulos de ampliación. Los buses disponibles dependen del tipo de PLC compacto.

En el caso de un PLC modular, todos los buses se encuentran disponibles mediante conectores alojados en el blackplane.

Fuente de alimentación y batería tampón

La unidad funcional encargada de suministrar alimentación tanto al PLC como a los dispositivos acoplados a él es la fuente de alimentación. La fuente de alimentación genera un suministro en corriente continua, tanto para el PLC que lo necesite como para los dispositivos conectados al mismo.

Los valores de tensión empleados habitualmente en corriente continua son 12 V, 24 V y 48 V respectivamente.

Para autómatas o dispositivos que funcionen con corriente alterna, se recurre al empleo de la tensión eléctrica suministrada por la red eléctrica convencional, utilizando valores de 230 V o 400 V en función de las necesidades del equipo correspondiente.

En caso de falta del suministro eléctrico, la fuente de alimentación no generará el suministro eléctrico correspondiente, por lo que memoria de usuario puede ser borrada. Para evitar este problema, las fuentes de alimentación incluyen una batería que en caso necesario alimenta a la memoria de usuario evitando la pérdida del programa contenido en ella. Si el PLC no dispone internamente de la citada batería, es necesario conectar una batería externa, adecuada a ese PLC.

Dado que la batería tiene una vida limitada, esta es monitorizada convenientemente mediante algún dispositivo luminoso, generalmente un diodo emisor de luz (LED), que avisará cuando sea necesario su reemplazo. Por tanto, no conviene olvidar realizarle el correspondiente mantenimiento preventivo.

Equipos de Programación

Los autómatas programables necesitan de herramientas externas para transferir el programa de usuario a la memoria de usuario del PLC, con objeto de que el PLC pueda ejecutar el programa de usuario y realizar el proceso de control que debe controlar. Estas herramientas externas son conocidas como equipos o unidades de programación.

Definición

Equipos de programación

Conjunto de herramientas disponibles para el programador de autómatas con las que puede introducir, modificar y verificar el código de instrucciones que forman el programa de usuario sobre la memoria del autómata, y que posteriormente, ejecutará el autómata.

El lenguaje que emplee este equipo de programación corresponde a lenguajes entendibles por un programador pero no lo es directamente por el procesador del PLC. De esta forma el programador utiliza este equipo de programación como medio para convertir el lenguaje empleado por el programador al código que interpreta el procesador denominado código máquina o ensamblador. Así pues, cuando el programador ha introducido el programa de usuario en el equipo de programación, este lo compila a: