Introducción a los PLC

En sus orígenes, el control de los procesos industriales tenía lugar mediante elementos cableados, a través del uso de contactores, relés, detectores, temporizadores, actuadores. Estas instalaciones planteaban serias dificultades en la instalación, mantenimiento y reparación de averías, especialmente cuando la complejidad aumentaba. La evolución de la electrónica y la computación permitió la incorporación de PCs en procesos de control y automatización industrial, lo que posteriormente evolucionaría a autómatas programables.

PLC: (Programmable Logic Relay)

Dispositivo electrónico que puede ser programado y que está diseñado para trabajar con procesos industriales, disponiendo de la capacidad de gestionar y controlar automatismos eléctricos en virtud del programa que hayamos instalado. Implica que el técnico tenga conocimientos en programación y técnicas sobre autómatas programables.

Ventajas:

• Reducen notablemente el cableado
• Mejora del tiempo de desarrollo de proyectos y la complejidad de los mismos
• Mantenimiento más sencillo
• Capacidad de ampliación del sistema
• Mejoran los tiempos de respuesta del sistema
• Posibilitan comunicación con el exterior
• Control de varios procesos distintos
• Capacidad de cambiar funcionalidad sin cambiar el hardware reprogramándolo

Inconvenientes:

• Conocimiento de programación por los técnicos
• Coste inicial más elevado: en sistemas de media y alta complejidad soslayan este inconveniente en sistemas de bajas prestaciones estudiar mejor

Estructura PLC:

• Fuente de Alimentación: proporciona alimentación a la electrónica del autómata. En algunos modelos se encuentra integrado y en otros es un módulo externo, pasa de 230AC a 12-24CC
• CPU: procesa información proveniente del exterior y actúa sobre las salidas en función de la programación
• Interfaz de Entrada: parte del autómata que se conectan los sensores, puls y su función es informar al autómata del estado o valor de dichos elementos, pueden ser entradas analógicas o digitales (estado det induc)
• Interfaz de Salida: gobernada por la CPU y se encarga de activar o desactivar los actuadores
• Relés: para el control de circuitos tanto en CC o CA, relé interno del autómata, soporta mayor potencia de las cargas
• Triacs: control en CC y/o CA en aplicaciones que requieren conmutación de salida muy rápida
• Transistor: circuitos de CC y también permiten un tiempo de conmutación más rápida que los relés
• Terminal o dispositivo de programación: permite comunicarnos con el autómata para configurarlo, parametrizarlo o cargar un programa
• Periféricos y elementos auxiliares: memorias externas, paneles de operación, módulos de expansión o comunicación y visualizadores
• Autómatas Compactos: cuyos elementos están todos embebidos dentro de una única carcasa. Suelen responder a autómatas o relés programables de baja gama y prestaciones, se utilizan en aplicaciones domóticas o pequeños automatismos
• Autómatas Modulares: disponen de parte de su estructura separada de la unidad central de procesamiento. Sus capacidades de expansión son muy superiores a los sistemas compactos y están diseñados para aplicaciones de media/alta gama, automatización de edificios

Lenguajes de Programación de PLC:

• Lenguajes Literales o Textuales: instrucciones de programa formadas por letras, símbolos y números
• Lenguaje Textual de Lista de Instrucciones (IL instruction list)
• Lenguaje de Texto Estructurado (ST structured text)
• Lenguaje Gráfico: se representan con esquemas y figuras geométricas
• Lenguaje de Contactos (LD ladder diagram)
• Lenguaje de Diagrama de Funciones (FBD function block diagram)
• SFC Sequential Function Chart: coordina dos lenguajes gráficos y los dos textuales

Lenguaje Textual Lista de Instrucciones (IL):

Lista de instrucciones o lenguaje booleano. Cada fila de programa tiene asignado un número generado automáticamente, un código de instrucción y un operando que puede ser tipo bit o palabra. Familiarizado con la electrónica digital y la informática, utilizada en los autómatas de bajas prestaciones con unidades de programación que apenas visualizan unas pocas líneas del programa.

Lenguaje de Texto Estructurado (ST):

Empleado únicamente en autómatas de alta gama y entornos industriales. Lenguaje de alto nivel que permite programación estructurada, dividir varias tareas complejas en tareas más sencillas para resolver un problema de automación usando SUBRUTINAS. Tiene muchas similitudes con otros lenguajes utilizados en informática como Basic, Pascal o C.

Lenguaje Gráfico Esquema de Contactos (LD):

Ladder, esquema de contactos o KOP, lenguaje gráfico compuesto de una serie de circuitos que son ejecutados secuencialmente por el autómata. La representación gráfica se asemeja a la de un esquema eléctrico.

Lenguaje Gráfico Diagrama de Funciones (FBD):

El lenguaje FBD gráficamente. Permite al programador diseñar sus propios bloques.

Diagrama Funcional de Secuencias (SFC):

Lenguaje orientado a gráficos que nos permite representar el desarrollo en el tiempo de las distintas acciones de un programa. El SFC es similar a un diagrama de flujo. Se emplea frecuentemente en el diseño de soluciones asociadas a sistemas secuenciales donde el programa se ejecuta paso a paso conforme se cumplen determinadas condiciones. Dispone de tres elementos principales: pasos o etapas, transiciones o condiciones y acciones. Nuestro programa transicionará de una etapa a otra conforme se vayan cumpliendo las condiciones y en cada etapa ejecutará las acciones que se hayan definido.

Componentes del PLC S7-300 Siemens:

Para la instalación y puesta en marcha de un autómata se cuenta con una serie de componentes, la programación requiere de una programadora (PG) que conecta el autómata a un PC y permite transferir su programa. Esta conexión puede hacerse vía directa, a través del estándar MPI o utilizando PROFINET. Los autómatas pueden montarse sobre un único bastidor o sobre varios. En el caso de emplear un único bastidor podemos conectar un máximo de 8 módulos a la derecha de la CPU, no pudiendo consumir más de 1,2A en total. Cuando empleamos varios bastidores debemos utilizar un módulo especial (módulo interfaz IM) que se encarga de la interconexión de los elementos de los distintos bastidores. El número máximo de elementos de cada bastidor es de 8, limitando la potencia a 1,2 A en el primer bastidor y 0,8 en los sucesivos. La fuente de alimentación debe ir colocada en el SLOT 1, la CPU en el SLOT 2 y el módulo interfaz en el SLOT 3.

MPI (Multi Point Interface):

Una subred de dimensiones pequeñas y con un número reducido de estaciones. Para su utilización como interfaz de programación (PG) para conectar pocas CPU en red y bien ser programadas o intercambiar pequeños flujos de información entre estas.

PROFIBUS:

Red no propietaria, siendo utilizado para el intercambio de datos con elementos del mismo nivel.

PROFINET (Ethernet Industrial):

Se emplea cuando es preciso transferir grandes cantidades de datos, formando parte de subredes donde existen pasarelas GATEWAYS incluso. Se utiliza frecuentemente en redes que cubren varias sedes de una misma empresa. También dispone de dos variantes, IO y CBA.

PtP (Acoplamiento Punto a Punto):

Permite conectar dos dispositivos punto a punto.

AS-i (Actuador/Sensor Interface):

Es la subred más empleada a nivel de sensores/actuadores e instalaciones de automatización.

Dirección de los Módulos de S7-300

Dirección orientada a SLOT:

Se le asigna una dirección inicial de módulo a cada número de slot, dirección analógica o digital.

Dirección libre de los Módulos:

A cada módulo se le asigna una dirección cualquiera utilizando el entorno software STEP7. El usuario definirá una dirección inicial en la que se basarán el resto de direcciones de módulo. Si usamos E1.3 nos estaremos refiriendo a la entrada E con dirección de byte 1 y dirección de bit 3. El primer módulo digital se encuentra en el slot 4, entonces la dirección inicial predeterminada es la 0. Cada módulo digital adicional tendrá una dirección inicial que aumenta en 4 por slot. Conforme vayamos colocando, se asignarán 4 bytes por cada posición. El direccionamiento de un canal de entrada o salida de un módulo analógico consistirá siempre en una dirección de palabra (16 bits, 2 bytes). Si el primer módulo analógico está en el slot 4, la dirección inicial predeterminada es la 256 (la siguiente 256+2 bytes=258) y la dirección inicial de cualquier otro aumentará en 16 por cada slot (256+16=272 el segundo módulo por ejemplo). La CPU presenta varios LED que se utilizan para informar.

Programación S7300:

La utilización de un lenguaje u otro vendrá dada por las peculiaridades de la solución a implementar y los conocimientos del programador.

Lenguajes Literales:

• AWL: lista de instrucciones
• SCL: Lenguaje de texto estructurado parecido a Pascal o C
• Lenguajes Gráficos: KOP: Lenguaje esquema de contactos o en escalera
• FUP: FBD
• S7-HIGraph: Diagrama de transición de estados

Funcionamiento de la CPU y unidades de organización:

La CPU del autómata se ejecutan dos programas claramente diferenciados:

• Sistema Operativo: forma parte de la propia CPU del autómata, se encarga de gestionar el arranque correcto del autómata, ejecutar la llamada al programa de usuario, gestionar alarmas e interrupciones, administrar áreas de memoria
• Programa de Usuario: es el que el usuario diseña, pudiendo ser realizado en diferentes lenguajes y estructurado en varios bloques

Unidades de Organización:

• Bloque de Organización: interfaz entre el sistema operativo y el programa de usuario y se encargan de determinar la manera en la que se ejecutan las diferentes partes de un programa, se ejecuta cada vez que el autómata pasa del estado de para al estado RUN distintos tipos de bloques OB
• FB-Bloque de Función: disponen de un bloque de datos asignado como memoria (DB de instancia). Un FB contiene un programa que se ejecuta cuando es llamado por otro bloque, simplificando la programación de funciones complejas de uso frecuente
• FC-Función: para funciones frecuentes pero a diferencia de FB (sin memoria). Un FC contiene un programa que se ejecuta cuando es llamado por otro bloque lógico, pueden devolver un valor
• DB-Bloques de Datos: son áreas para almacenar los datos variables que maneja el programa de usuario. Existen dos tipos, los globales y los de instancia asociados a una función en particular
• SDB-Bloques de Datos del Sistema: se generan con herramientas especiales

Identificación de Variables:

Las variables son los contenedores que almacenarán el estado o valor de las entradas, las salidas y las posiciones de memoria interna de la CPU (marcas). Estas pueden estar predefinidas por el usuario-programador de la aplicación.

Identificación de Variables AWL:

• Variables de Entrada: para almacenar el valor de las entradas del autómata. Podemos tener binarias representadas por EB de tipo palabra EW y de tipo doble palabra ED
• Variables de Salida: se utilizan para almacenar el valor de las salidas del autómata, disponemos de los mismos tipos de operandos (A, AB, AW y AD)
• Marcas: al igual que las salidas y entradas, tenemos los mismos tipos de operando (M, MB, MW y MD)

Sistemas SCADA y HMI:

Scada Supervisory Control and Data Adquisition, sistema de adquisición y supervisión de datos, grupo de aplicaciones software que se ejecutan sobre un PC (uso de ordenadores industriales y pantallas HMI para interactuar con el SCADA) ofreciendo una interfaz gráfica proporciona información del proceso a distintos usuarios. Las antiguas interfaces entre usuario/operario y la planta o proceso basados en paneles de control con múltiples indicadores luminosos, instrumentos de medida y pulsadores, están siendo sustituidas por sistemas basados en entornos PC y tecnología digital.

Funciones de SCADA:

• Adquirir datos
• Supervisar: observar desde un interfaz (monitor) la evolución y estado de las variables de control
• Controlar: modificar la evolución de los procesos

Elementos SCADA:

• Bloque de Configuración: permitirá al programador de la aplicación definir el entorno de trabajo de la aplicación SCADA
• Interfaz Gráfica del Operador: es la representación gráfica del proceso en una pantalla
• Bloque de Proceso: acciones preprogramadas que se ejecutan a partir de los valores de las variables del proceso
• Gestión de Base de Datos: almacenamiento de la información
• Comunicaciones: es el bloque que gestiona el intercambio de información entre el SCADA y los elementos del proceso de automatización