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Ander J. Miranda

UNIVERSIDAD DE CARABOBOFACULTAD DE INGENIERÍA

DPTO. DE SISTEMAS Y AUTOMATICA

AUTOMATIZACION INDUSTRIAL I

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Automatización De Procesos Industriales Usando

Autómatas Programables

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AUTOMATISMO

• Velocidad en la reacción del sistema• Alcanzar mejor precisión• Resolver sistemas complejos

Conjunto de dispositivos eléctricos, electrónicos, neumáticos, etc., capaz de

controlar en forma automática, el funcionamiento de una máquina o proceso.

NECESIDADES DE UN AUTOMATISMO

Realizar operaciones que son imposibles manualmente tales como:

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ESQUEMA GENERAL DE UN AUTOMATISMO

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OPCIONES TECNOLOGICAS

programablesAutómatas UniversalesMicrosistemasProgramada

Miniordena-dores

InformáticosElectrónicaLógica

Microorde-nadores

SistemasestáticaElectrónicaElectrónicaulicaElectrohidráCableadamáticaElectroneuEléctricaLógicaomagnéticosRelés Electr

especificasSubfamiliasFamilia tecnológica

Tipo

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FASES DE UN AUTOMATISMO

Estudio previo

Estudio Técnico-económico

DecisiónFinal

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SUSTITUCIÓN DEL LÓGICA CABLEADA POR UN PLC

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CAPACIDADES DE UNA INSTALACION CON AUTOMATAS

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Se entiende por controlador lógico programable (PLC), o Autómata programable, a

toda máquina electrónica programable, diseñada para controlar, en tiempo real y en medios industriales, procesos secuénciales.

• Su manejo y programación lo puede realizar un personal eléctrico o electrónico, sin amplios conocimientos de informática.

• Realiza funciones lógicas, and, or, temporizados, conteo, etc.

• La tarea del usuario se reduce a realizar el programa.

AUTOMATAS PROGRAMABLES

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Primer PLC, fue creado en el año 1968, por la división de ingeniería HYDRAMATIC de GM.

• Eliminar los altos costos asociados a los sistemas inflexibles controlador por relés.

• Precio competitivo en comparación a los relés.• Soportar medios industriales.• Interfases de entrada y salida de fácil sustitución.• Diseño modular, facilitando su reemplazo o sustitución.• Facilidad de comunicación con un sistema central.• La programación debe ser lo más fácil posible.

Objetivos y especificaciones

AUTOMATAS PROGRAMABLES

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CONTROLADORES DE HOY EN DIA

En los controladores actuales se han incorporado varios adelantos tecnológicos, como son:

• Tiempos de procesamientos muy rápidos.• Tamaños muy pequeños y bajo costo.• Altas densidades para los sistemas de entradas/salidas.• Interfases E/S inteligentes a base de

microprocesadores, como PID, comunicación, posicionamiento, etc.

• Comunicación directa con computadores.• Desarrollo de sistemas supervisorios y análisis de datos.• Modos de programación gráficos, mas sencillos.

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EVOLUCIÓN DE LOS AUTOMATAS PROGRAMABLES

• Sustitución de la memoria RAM por EPROM y EEPROM.• Comunicación con PC.• Uso de microprocesadores de 16 y 32 bits.• Incremento de prestaciones, como autodiagnóstico y

autoverificación.• Mejoras en la visualización de programas y procesos.• Perfeccionamiento de redes locales

– Uso de redes ETHERNET, de par trenzado y de fibra óptica.

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VENTAJAS DEL PLC• Menor tiempo empleado en la elaboración del proyecto

debido a que:• No se requiere dibujar el esquema de contactos.• No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas.• Las listas de materiales se reducen considerablemente.

• Se puede modificar el proceso sin cambiar el cableado.• Mínimo espacio de ocupación.• Menor costo de mano de obra en la instalación.• Economía de mantenimiento.• Posibilidad de manejar varios procesos con un PLC.• Se reduce el tiempo de cableado (puesta en marcha).• Al quedar el proceso fuera de servicio el PLC, puede ser

reutilizado.

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DESVENTAJAS DEL PLC

• Hace falta un programador o software para programación.

• Se requiere adiestrar al personal para tal sentido.

• El costo inicial, generalmente, es elevado y puede ser un inconveniente.

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Estructura Externa de los AutomatasProgramables

• Automatas Compactos o de estructura compacta.

Automatas Modulares o de estructura modular.

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TAMAÑO DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES

• Gama baja: Máximo 128 E/S.– La memoria del usuario tiene un máximo de 4K.

• Gama media: De 128 a 512 E/S.– La memoria del usuario tiene un máximo de 16K.

• Gama alta: Mas de 512 E/S.– La memoria del usuario puede superar los 100K.

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ESTRUCTURA DE LOS AUTOMATAS PROGRAMABLES

• Fija o enchufable directamente al autómata.• Enchufable mediante cable y conector.• Posibilidad de ambas conexiones.

Unidad de programación

Software de programación.

• Actualmente, entorno gráfico (Windows).• Conexión al PC, directa por cable serial.• Conexión por medio de cable y un driver a través del puerto serial.

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ESTRUCTURA INTERNA Y PERIFERICOS DEL PLC

Fuente de alimentación120Vac220Vac24Vdc

SENSORES

ACTUADORES

UNIDAD CENTRALDE

PROCESAMIENTO(CPU)

UNIDAD DEALIMENTACION PLC

INTERFAZ OINTERFACES

DISPOSITIVOS

DE

ENTRADA

DISPOSITIVOS

DE

SALIDA

FUENTEALIMENTACIÓN

FUENTE ALIMENTACIÓN

DISPOSITIVOSPERIFÉRICOS

CONSOLA DEPROGRAMACIÓN

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ARQUITECTURA DEL PLC

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TECNOLOGIAS DE MEMORIA

SE MANTIENE

ELECTRICOELECTRICAEEPROM

SE MANTIENE

LUZ ULTRAVIOLETA

ELECTRICAEPROM

SE MANTIENE

IMPOSIBLEELECTRICAPROM

SE MANTIENE

IMPOSIBLEDURANTE SU FABRICACION

ROM

SE BORRAELECTRICOELECTRICARAM

FALLA DE TENSION

BORRADOPROGRAMACIONTIPO

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ESTRUCTURA DE LA MEMORIA

Ander J. Miranda

ESTRUCTURA DE LA MEMORIA

• La memoria de un PLC esta formada por palabras de 2bytes (16bits).

• Cada posición de memoria tiene 16b de información.

• Cada palabra define una instrucción o dato numérico o un grupo de estados de E/S.

• La cantidad de memoria de un PLC se expresa en K de memoria (1K=1024).

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ESTRUCTURA DE LA MEMORIA

• 1K de memoria se refiere a 1024 posiciones en la memoria, esto es:.

1bit2bits3bits

.

.

.

.

.

.

.1024bits

1byte2bytes3bytes

.

.

.

.

.

.

.1024bytes

1word2words3words

.

.

.

.

.

.

.1024words

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FUNCIONES DEL CPU• El µP accesa la memoria para realizar las funciones

ejecutivas• Ejecuta las instrucciones del software particular del

PLC (dif. en cada fabricante).• Los software de para cada PLC, en general, contienen:

– Supervisión y control del tiempo del ciclo (WATCHDOG), tablas de datos, alimentación, batería, etc.

– Autodiagnóstico en el arranque y durante la ejecución del programa.

– Inicio de la exploración de programa.– Generación del ciclo base de tiempo.– Comunicación con los periféricos y unidad de

programación.– Hasta que el sistema no ejecute todas las acciones

necesarias no se inicia el programa del usuario.

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CICLO DE TRABAJO

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TIEMPO DE SCAN

• Es el tiempo que le toma al PLC ejecutar el ciclo de trabajo.

• Depende de:– La cantidad de memoria del programa de control.– El tipo de instrucciones usadas.

• Varia entre 1mS y 100mS.• Los fabricantes los especifican en función de la

memoria usada (10mS/1K de memoria programada).• El empleo de unidades remotas de E/S aumenta el

tiempo de scan.

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CONSIDERACION DEL TIEMPO DE SCAN DE UN PLC

Las piezas pasan a razón de 100 piezas por segundo.

¿Cuanto tiempo tiene el PLC para ver una pieza?

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MÓDULOS DE ENTRADA

• De acuerdo a la tensión.– Libres de tensión.– A corriente continua.– A corriente alterna.

• De acuerdo al tipo de señal que reciben.– Analógicas.– Digitales.

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ENTRADAS ANALÓGICAS

• Convierten la señal analógica a un código binario con un DAC.

• Se emplean para medir tensión, temperatura, PH, nivel, caudal, etc.

En salidas1mS12b4..20mA

± 1%1mS12b0..10v

En entradas1mS8b4..20mA

±(1%+1BIT)1mS8b0..10v

PrecisiónTiempo de conversiónResoluciónRango

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ENTRADAS DIGITALES• Son las mas usadas.• Emplean señales de tipo ON/OFF, con niveles

predeterminados de tensión.• Los dispositivos de entradas y sus interfases pueden

ser:

THUMBWHEEL SWIYCHES

5-50 VOLTIOS AC/DC (SINK-SOURCE)CONTACTOS DE RELE

ENTRADAS AISLADASCONTACTOS PARA ARRANQUE DE MOTORES

NO VOLTAJESWITCHES DE NIVEL

NIVEL TTLSWITCHES DE PROXIMIDAD

230 VOLTIOS AC/DCFINALES DE CARRERA

120 VOLTIOS AC/DCCELDAS FOTOELECTRICAS

48 VOLTIOS AC/DCPULSADORES

24 VOLTIOS AC/DCSWITCHES SELECTORES

INTERFASE DE ENTRADASDISPOSITIVOS DE CAMPO

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Módulo de entrada AC/DC

FILTRO

ENTRADA

PROCESADOR

AISLADOR

NIVEL

DE

SENAL

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Modulo de entrada AC/DC

• Etapa rectificadora.• Filtrado de ruido.• Detección de nivel de la señal• Aislamiento óptico

R3

Señal De

Entrada

Al Procesador

AcoplamientoÓptico

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Conexión de Entradas

1

2

3

4

C

L1 L2

1

2

3

4

C

Fuentede poder

DC

+ -

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Modulo de Entrada DC• No tienen puente rectificador.• Rango de voltaje entre 5V y 30V.• ON si Voltaje aplicado es un 40% del Voltaje nominal• OFF si Voltaje aplicado esta por debajo de un 20% del voltaje DC

de referencia.• Si entrega corriente se dice que es una fuente (sourcing)• Si recibe corriente se dice que es un drenaje (sinking).• Dispositivos de campo tipo fuente y modulos de PLC tipo drenaje

ENTRADA

R1

R3

R2

D1

LED

Optoacoplador

CPU

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Módulos de Salida

• Digitales– A relé (para actuadores de AC y de DC).– A triac (para actuadores en AC).– A transistor (para actuadores en DC).

• Analógicas– Se usan para el manejo de dispositivos de campo, por ejemplo, variadores de velocidad, servo válvulas, entre otros.

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Salidas a Triac

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Salidas a Transistor

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Conexión de Salidas

CorrectoIncorrecto

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Protección de los Módulos de Salida.

Las cargas industriales son de tipo inductivo entre un 80% a un 90%, por lo tanto su

desconexión ocasiona sobrepicos de voltaje que acortan la vida útil de los módulos de

salida del PLC.

Para disminuir este riesgo las salidas de los autómatas están provistas de un circuito de

protección

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Protección de los Módulos de Salida

RED RC.Contacto del rele

de salida

C=220nF

R=100

C 1 2 3

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Protección de los Módulos de Salida

Protección con varistor

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Circuitos de Proteccion Externos, para Cargas en DC.

Protección con diodos para cargas DC, con bajo numero de maniobras

D=1N4004…7 D=1N4004…7R(Ω)=Z(Ω)

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Circuitos Externos de Protección, para cargas DC.

Protección con diodo y varistor, para cargas DC, Con elevado numero de maniobras

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Circuitos de Proteccion Externos, para Cargas en AC.

Red RC con varistor, carga de alta inductancia.

R≈100ΩΩΩΩC≈0,1uF

Red RC, para carga de alta impedancia

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Contactos de Reles Térmicos.

CargaCarga

Termico

Termico

PLC

Entradas

Salidas

PLC

Entradas

Salidas

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Contactos de Reles Termicos

• Conexión a la entrada.– Más técnica y segura, nos da una indicación visual de la falla.

– Da la posibilidad de detener sólo el proceso en falla o todos los procesos involucrados.

– Necesitamos una entrada por cada relé.

• Conexión a la salida.– Ahorro de entradas.– No hay señalizacion.– Sólo se tiene la posibilidad de desactivar el proceso en falla.

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Conexión de Salidas Comunes

IT=I1+I2+I3+I4< I (del fabricante)

C 1 2 3

Z1 Z2 Z3 Z4

4

IT I1 I2 I3 I4

U

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Conexión de Captadores

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Modos de Operación del Autómata

• STOP (off-line). En este modo el PLC no ejecuta el programa del usuario, en este modo se realiza la escritura del programa.

• RUN (on-line). El programa del usuario se estáejecutando constantemente (no se puede modificar el programa), solo se puede visualizar.

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Niveles de Automatizacion

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LENGUAJES DE PROGRAMACION DEL PLC

1. Diagrama escalera (LD).2. Lista de instrucciones (IL).3. Grafcet (diagrama de estados).4. Planos de funciones.5. Diagramas de flujo

(organigrama).

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DIAGRAMA ESCALERAEs el más usado, por ser similar a los esquemas eléctricos a relés. (preferido por los electricistas)

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LISTA DE INSTRUCCIONES (IL)

Es el lenguaje más básico y es diferente para cada PLC (es como un lenguaje assembler)

STR NOT X1AND X2STR NOT X4AND X5OR STROR Y1AND NOT X3OUT Y1

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PLANOS DE FUNCIONES

Es similar a construir un circuito usando compuertas lógicas.(preferido por los electrónicos)

&

&

>1

&

=

x1

x2

x4

x5

y1

x3

y1

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GRAFCETConsiste en construir el diagrama de estados que rige el funcionamiento del sistema

Etapa (estado)

Etapa (estado)

Etapa (estado)

Transición o condición asociada

Transición o condición asociada

Acción asociada a la etapa

Acción asociada a la etapa

Estado inicial

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CONTROL DE UN SISTEMA DISCRETO CON PLC

Switch

Lámpara1

Lámpara2

PLC

Al cerrar el interruptor se enciende la lampara1 y se apaga la lampara2

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VAC

L1

Switch

VAC

C

0

1

2

C

0

1

2

I1 Q0

L NL N

I1 Q2

VAC

PLC

L2

MEMORIA DE USUARIO

CONTROL DE UN SISTEMA DISCRETO CON PLC

+ -

Ander J. Miranda

EJEMPLO DE UN SISTEMA DE CONTROL DISCRETO

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Ander J. Miranda

Ejemplo2:Lógica Cableada

CB

CB

CB M

M

M OL

OL

OL

L1

L2

L3

M3

START STOP

M

M OL

Ander J. Miranda

Ejemplo2: Conexionado y Programación del PLC

L N

C

VAC

1

2

3

C

1

2

3

START

STOP

M

VAC

I1 I2

S1

S1

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Ander J. MirandaLS1

SV1

SV2

La pieza al ser captada por LS1, los dos cilindros extienden sus vástagos, y se mantienen así por un tiempo determinado, luego se retraen los dos simultáneamente

Esquema de instalación

Ejemplo 3

Ander J. Miranda

SV2 SV1

Ejemplo 3

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LS1 T1 M1

M1

M1 SV1

SV2

T1

T.O.

Ejemplo 3

Lógica cableada.ANSI