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Arquitectura interna de un Autómata. Tipos y criterios de selección.

Un autómata programable industrial (API o PLC) es un equipo electrónico de control con un cableado interno independiente del proceso a controlar, que se adapta a dicho proceso mediante un programa específico que contiene la secuencia de operaciones a realizar. Estas operaciones actúan sobre señales de entrada y salida, conectadas a los bornes del autómata.

Estas señales de entrada pueden proceder de elementos digitales o analógicos. Las señales de salida son órdenes digitales (presencia o ausencia) o analógicas de tensión o corriente, que se envían a los diversos elementos indicadores y actuadores del proceso.

El autómata se encarga de controlar las señales de salida según el programa de control previamente establecido y almacenado en memoria, a partir del estado de las variables de entrada.

Una característica que diferencia los API frente a otros es la estandarización de su hardware, que permite la configuración de sistemas de control a medida.

Los Autómatas programables se componen de una CPU o unidad central de proceso, memoria interna, memoria del programa, interface de salida y entrada además de una fuente de alimentación.

Estructura-automatsa

La unidad de control (CPU/ UC/Microprocesador) consulta el estado de las entradas y recoge de la memoria la secuencia de instrucciones, para elaborar una salida. Durante la ejecución del programa, las instrucciones son procesadas en serie. La UC se encarga de actualizar los temporizadores, contadores, etc. La memoria interna almacena los datos intermedios que no aparecen sobre las salidas, así como los últimos estados reflejados sobre las señales de entrada o salida.

El autómata suele contar además de con una fuente de alimentación, una batería en caso de interrupción exterior.

La memoria, CPU y las interfaces de salida y entrada están conectadas por un bus de datos interno. La estructura generalmente usada exige que en todo momento sólo pueda haber un periférico ocupando el bus. Los tres buses usuales en un sistema digital, datos,direcciones  y control se reunifican en un autómata en uno sólo. Es conocido como bus interno. Este número de líneas depende de cada fabricante.

Arduino (microcontrolador, tan de moda actualmente) también puede funcionar como un PLC, conectándole  las interfaces adecuadas para las entradas y salidas (E/S). No es realmente lo suyo, puesto que para ello es altamente recomendable uno de tipo industrial.

PLC-vs-Arduino

El PLC (Controlador Lógico Programable) ha sido y sigue siendo el componente básico en el mundo de la automatización industrial. La aplicación industrial hizo que los sistemas PLC fueran muy costosos, tanto para comprar como para reparar, y también debido a las habilidades altamente específicas solicitadas a los diseñadores de software para extraer el máximo potencial de los controladores.

Como mencioné anteriormente Arduino es una especie de controlador programable universal, aunque sólo es el “núcleo” y, en cualquier caso, se ha construido para aplicaciones generales; con un poco de hardware externo (esencialmente las interfaces capaces de transferir las señales de los sensores hacia los actuadores, reduciendo la EMI que puede dañar el microcontrolador) y con un software adecuado puede, sin embargo, convertirse en algo muy similar a un PLC.

Un PLC una vez conectado a la red eléctrica tiene básicamente dos modos de funcionamiento:

Stop. En este modo de funcionamiento no se ejecuta el programa de control.

Run. En este modo de funcionamiento el programa de control se está ejecutando de manera indefinida hasta que o bien el PLC pasa al modo Stop o bien se desconecta de la alimentación.

Es obviamente este último modo de funcionamiento el más interesante. Cuando el autómata se encuentra en esta situación el programa de control que está grabado en su memoria se ejecuta cíclicamente describiendo lo que se ha dado en llamar “Ciclo de Scan”.

Un ciclo de scan consiste básicamente en pasos bien diferenciados:

  1. Lectura de las entradas del PLC.
  2. Ejecución del programa de control.
  3. Escritura de las salidas del PLC.
  4. Tareas internas del PLC.

La ejecución secuencial no implica ejecución lineal, es decir, que un programa puede contener instrucciones especiales que permitan hacer saltos hacia delante y hacia atrás, e incluso es posible que haya subrutinas e interrupciones. Pero en cualquier caso, la ejecución seguirá siendo secuencial siendo posible alterar esa secuencia de forma dinámica. Esa secuencia acabará teniendo una última instrucción que tras ser ejecutada pondrá fin a este paso del ciclo de scan.

Independientemente de que el formato del PLC sea compacto o modular por lo general todos suelen ser ampliables mediante módulos adicionales que deben ser adquiridos aparte. La diferencia entre unos y otros está en el precio y en que por lo general los compactos suelen estar más limitados a la hora de su posible ampliación.

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Los lenguajes de programación de PLCs han sufrido una evolución paralela a la de los propios equipos a lo largo del tiempo:

Diagrama de escalera

Con la aparición de los primeros PLCs hacia 1969 el lenguaje de programación diseñado era el denominado diagrama de escalera (Ladder Diagram –LD-) muy próximo a los diagramas eléctricos empleados para representar los esquemas de lógica cableada utilizados para controlar procesos hasta aquel momento.

Se pretendía que la transición de una tecnología a otra fuese lo más suave posible de esta forma todo el personal de las empresas con una alta cualificación en sistemas de lógica cableada podrían ser fácilmente formados y adaptados a los nuevos sistemas de lógica programable, permitiendo a las empresas abaratar la transición hacia un nuevo modelo de automatización de procesos.

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Lista de instrucciones

El lenguaje de lista de instrucciones (Instruction List -IL-) es el lenguaje de programación de PLCs más potente de los que existe. Es un lenguaje literal de bajo nivel parecido al lenguaje ensamblador empleado para la programación de microcontroladores.

Es un lenguaje cuyo origen está en Alemania de la mano de Siemens y sus primeros autómatas. Este lenguaje se basa en la utilización de un mnemónico que representa la instrucción seguido del operando u operandos sobre los que se aplica. El resultado de la operación puede ser almacenado sobre uno de los operandos o sobre alguno de los registros o la pila que emplea el equipo. Cada línea del programa contiene una única instrucción y su ejecución es secuencial comenzando por la primera de la lista. Todos los programas escritos en cualquiera de los otros lenguajes puede ser finalmente traducido a IL.

Diagrama de bloques funcionales

El lenguaje de los diagramas de bloques funcionales (Function Block Diagram -FBD-) es un lenguaje gráfico que surge como una evolución de los diagramas empleados por los ingenieros electrónicos para representar los circuitos lógicos.

En estos las puertas lógicas son representadas mediante símbolos estandarizados. Un circuito electrónico puede ser encapsulado en un integrado el cual puede ser utilizado en un nuevo diagrama mediante un símbolo adecuado.

El lenguaje FBD sigue las mismas pautas. Cada operación es representada por un símbolo normalizado. Un conjunto de operaciones que llevan a cabo una función específica se pueden agrupar formando una subrutina o bloque el cual pasa a tener un símbolo asociado que puede ser empleado en otro segmento de programa tantas veces como se quiera. Sólo es necesario seguir unas pautas sintácticas y semánticas a la hora de construir los diagramas.

Texto estructurado

El texto estructurado (Structured Text -ST-) es un lenguaje literal de alto nivel que surge de adaptar el lenguaje Pascal empleado en la programación de PCs a las necesidades propias del control de procesos. Es un lenguaje muy potente especialmente indicado para la representación de algoritmos de control complejos en los que sea necesario emplear bucles, condicionales, etc.

SFC

El lenguaje de los diagramas funcionales secuenciales (Sequential Function Chart – SFC) surge como una evolución del lenguaje de modelado de sistemas secuenciales GRAFCET (estándar internacional IEC 848). El último no es un lenguaje de programación (aunque sea posible extraer un programa de los diagramas escritos en este lenguaje) mientras que SFC sí lo es con todas las connotaciones que ello supone. SFC proporciona al ingeniero un potente lenguaje para la representación de automatismos secuenciales.

SFC surge del esfuerzo del organismo internacional denominado Comisión Electrotécnica Internacional (International Electrotechnical Commision –IEC-) cuyo objetivo era la publicación de un estándar que normalizase los PLCs desde el punto de vista hardware y software.

Este estándar está dividido en varias partes y es la tercera (IEC 61131-3) la que hace referencia a los lenguajes de programación. Esta norma recogió los cuatro lenguajes clásicos más empleados en la programación de PLCs y les añadió un nueva versión de GRAFCET que le daba carácter de lenguaje de programación, permitiendo además la utilización de cualquiera de los cinco lenguajes para codificar cualquier módulo de programa que fuese necesario. Cualquiera de estos módulos independientemente del lenguaje en que hubiese sido escrito debe poder ser empleado desde cualquier otro módulo de programa.

A la hora de seleccionar qué autómata programable utilizar para llevar a cabo el control de una instalación se deben analizar una serie de criterios que pueden ser agrupados en dos categorías: cuantitativos y cualitativos.

CRITERIOS CUANTITATIVOS

Dentro de estos criterios se pueden englobar todas aquellas características que definen a este tipo de equipos y que pueden ser medidas y por tanto comparadas, a saber:

Ciclo de Ejecución. Mide el tiempo que el autómata tarda en ejecutar una instrucción o un Kbyte de instrucciones. Depende directamente de la velocidad de la CPU del equipo e influirá directamente en el ciclo de scan.

Capacidad de entradas/salidas.
Define el número de E/S se pueden conectar a un equipo. Determina por tanto la capacidad del equipo para conectarse con el proceso.

Características de las entradas/salidas.
Determina el tipo de E/S que se pueden conectar al autómata. Determina por tanto la forma en que el equipo se relaciona con el proceso.

Módulos funcionales.
Algunos tipos de acciones que se pueden llevar a cabo sobre el proceso como por ejemplo el posicionamiento de ejes, el control de procesos continuos, la noción del tiempo, etc., requieren de módulos especiales que pueden ser añadidos al autómata para complementarlo pero que en su configuración básica quizá no tenga.

Memoria de programa.
Define el tamaño de la memoria del autómata programable y al igual que en el caso de los PCs, ésta se mide en bytes o múltiplos de bytes.

Conjunto de instrucciones.
No todos los autómatas son capaces de ejecutar los mismos tipos de instrucciones. Por ejemplo, no todos los autómatas son capaces de realizar operaciones en coma flotante. Esta característica determinará la potencia del equipo para afrontar el control de ciertos tipos de procesos.

Comunicaciones.
Otra de las características más importantes a la hora de poder establecer comparaciones entre autómatas es la capacidad que tengan para intercambiar información con otros autómatas u otros módulos de E/S.

Periferia y programadoras.
Los autómatas programables pueden ser complementados con dispositivos auxiliares que sin ser esenciales para llevar a cabo su principal función (controlar un proceso), si facilitan ciertas tareas secundarias.

 

CRITERIOS CUALITATIVOS

Como su propio nombre indica son criterios que hacen referencia a aspectos que determinan en cierta medida la calidad del autómata. Son por ejemplo:

Ayudas al desarrollo de programas.

Hace referencia a la cantidad de información y ayuda que presta la empresa distribuidora del equipo a nivel local o estatal. Hoy en día con el desarrollo de Internet gran parte de esta información estará recogida en páginas web del fabricante. Será pues importante evaluar el idioma en que están escritas, la facilidad para encontrar la información buscada en las mismas y la capacidad de esta información para resolver problemas reales. A veces esta información no es suficiente y se hace necesario contactar con algún especialista que haya sufrido el mismo problema que nosotros pretendemos resolver y que por tanto tenga la solución para el mismo. Por desgracia este tipo de criterio es difícil de evaluar a priori, es decir, que por lo general es más fácilmente evaluable cuando se presentan los problemas y hay que resolverlos para lograr poner en marcha la automatización.

Fiabilidad del producto.

Es una característica muy importante que hace referencia directamente al funcionamiento del autómata. Por lo general la marca o nombre del fabricante del equipo es un aval suficiente para conocer el grado de fiabilidad del mismo.  Servicios del suministrador. Es muy importante evaluar qué servicios extra aporta el distribuidor del equipo a nivel local o nacional, tales como: cursillos de formación, su precio, el lugar de impartición y el número de fechas disponibles, capacidad para aportar recursos humanos, capacidad para aportar recursos técnicos, etc.

Normalización en planta.

Esta característica hace referencia a la capacidad del equipo para ser conectado e intercambiar información de manera correcta y efectiva con el resto de dispositivos y equipos que ya estén instalados en una planta dada. Vendrá determinada por la capacidad del autómata de soportar estándares internacionales de comunicación, de programación, de conexión, de arquitectura, etc. Hoy en día cada vez más fabricantes soportan mayor número de este tipo de estándares, pero la tendencia en el pasado reciente era hacia la “fidelización” del cliente mediante el empleo de sistemas de comunicación y arquitecturas totalmente incompatibles con las del resto de fabricantes de autómatas. De esta forma el único modo de conseguir tener una planta “normalizada” era en base a instalar siempre los equipos del mismo fabricante.

Compatibilidad con equipos de otras gamas.

Ahondando en el punto anterior, incluso puede darse el caso en que dos equipos del mismo fabricante pero de gamas distintas no sean compatibles entre sí, desde el punto de vista de la conexión y la capacidad de comunicación.  Coste. Aunque el precio de un producto es un criterio cuantitativo que puede ser medido y comparado, su coste o valor apreciado no lo es. Este hace referencia a la apreciación de cuánto caro o barato le parece a una persona un producto. Lo que a una persona le parece caro a otra le puede parecer barato. Esta diferencia de apreciación suele venir marcada por que en la balanza de cada persona el peso de ciertos criterios es mayor o menor dependiendo de su experiencia o necesidades. En el caso de los autómatas programables, el resultado de este criterio vendrá dado por la correlación entre el coste del equipo y el resto de características cualitativas del mismo.

Estas características cualitativas a la larga acaban convirtiéndose en las más importantes a la hora de seleccionar no tanto qué equipo adquirir sino de qué fabricante en cuestión.

Algunos modelos de distintos fabricantes:

Twido Schneider electric
MicrologixAllen Bradley  (TLP LogicPro Simulator)
S7 1200 – Siemens
Otras marcas como pueden ser…
Delta, Omrom, Fatek, …

REF y más información: 

Enlaces:
http://www.infoplc.net/

http://isa.uniovi.es/docencia/iea/teoria/plc_resumen.pdf

 

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