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Curso Básico de Controladores Lógicos Programables 1

UNIVERSIDAD DEL ZULIAFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICADEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y CONTROL

REALIZADO POR:

PROF. MIRIAM BORJASC.I. 5851348

PROF. DAVID FERNÁNDEZC.I.

CURSO DE CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES

Objetivo General:

Proveer al participante los conocimientos básicos para el diseño de Sistemas de Automatización de procesos industriales basados en controladores de lógica programables.

TEMARIO:

TEMA 1: Fundamentos de Automatización.Introducción al tema. Conceptos básicos. Elementos de automatización. Pirámide de automatización.


TEMA 2: Sistemas de Supervisión.Conceptos básicos. Estructura de los sistemas SCADA y de Control Distribuido. Aplicaciones y normativas.

TEMA 3: Buses de Campo.Introducción. Tecnología de buses de campo. Protocolos de comunicación. Redes de Campo. Foundation Fieldbus. Profibus. Normativas.

TEMA 4: Integración de Sistemas en Automatización.Conceptos básicos. Características de los sistemas integrados. Ventajas y desventajas. Normativas.

TEMA 5: Proyectos de Automatización.Fases de un proyecto de automatización. Planos y documentos de ingeniería. Especificaciones de equipos.

TEMA 6: Fundamentos de los Controladores de Lógica programable.Reseña histórica de los PLC. Conceptos básicos. Sistemas numéricos. Compuertas lógicas.

TEMA 7: Estándar IEC – 61131.Normas y lenguajes de programación estandarizados. Flujo de información.

TEMA 8: Características físicas de los PLC.Características de hardware. CPU, fuente de poder, módulos de entradas y salidas. Módulos de comunicación. Otros módulos.

TEMA 9: Memoria de los PLC.Organización de la memoria. Tipos de datos manejados. Relación entre la memoria y las entradas/salidas. Direccionamiento de la memoria y de otros tipos de datos.

TEMA 10: Instrucciones básicas.Instrucciones de bits. Instrucciones de tiempo y de conteo. Instrucciones lógicas y de comparación.

EJERCICIOS.TEMA 1: FUNDAMENTOS DE AUTOMATIZACIÓN.

Introducción al tema. Conceptos básicos. Elementos de automatización. Pirámide de automatización.

Introducción.

El área de la tecnología que se dedica al control de un proceso industrial de forma automática, es decir, sin intervención humana, se conoce como Automatización de Procesos Industriales; y tiene dos aspectos diferenciados pero íntimamente ligados, el primero es la necesidad de controlar el proceso y el segundo la utilización de la tecnología adecuada capaz de hacerlo real y operativo.

Hoy día, conocer los fundamentos de los sistemas de control y de la automatización resulta muy útil por cuanto cualquier ingeniero, independientemente de su titulación y de las tareas que tenga encomendadas en relación con su trabajo, es muy probable que acabe teniendo contacto con ellos,


aun cuando únicamente los use sin profundizar en la teoría que los soporta ni en el conocimiento de los dispositivos físicos utilizados.

Implementar una técnica de control a un proceso dado, implica un conocimiento amplio sobre la dinámica del proceso y de todas las variables que intervienen en él, además de tener presente los algoritmos y estrategias de control de cada lazo. Estas estrategias, se aplican con el fin de lograr un control regulatorio óptimo sobre la variable o variables de interés, las cuales toman estados inestables en la operación normal del proceso, como resultado de las perturbaciones internas y externas al proceso. En consecuencia, el funcionamiento correcto de un sistema de control esta determinado por la naturaleza del proceso, de las características de los lazos de control y de los ruidos o perturbaciones externos.

CONCEPTOS BÁSICOS.

Automatización.

Es el proceso que implica crear una infraestructura que permita desarrollar las operaciones de los procesos industriales, dentro de limites criterios establecidos, permitiendo la adquisición de datos en tiempo real y el manejo de dicha información dentro de los niveles supervisorios involucrados.

Integración de Sistemas de Producción Automatizados.

En el campo de la automatización de procesos de producción, significa que los sistemas que se integran deben ser capaces de regular y controlar su proceso de una manera coherente y coordinada con los demás, en base a las relaciones existentes entre ellos y acorde con los lineamientos de producción escogidos.

Integración de Sistemas de Gestión Empresarial.

La integración de los sistemas de gestión empresarial cuando se refiere a información, se define como el paso siguiente en los procedimientos de automatización de las industrias y sus procesos de producción con los procesos de gestión de la empresa. Esta integración constituye un factor importante para el éxito de la empresa en el futuro inmediato, ya que de esta manera se consigue que la empresa este integrada tanto a nivel gerencial como a nivel de producción.

PLC

Un controlador lógico programable, PLC (Programable Logic Controller), de acuerdo a los estándares NEMA, es un aparato electrónico que opera digitalmente, usando memoria programable para el almacenaje interno de instrucciones que implementan funciones especificas tales como: lógica, secuencia, temporizadores, contadores, funciones aritméticas para el control de maquinas y procesos. Los PLC’s se usan principalmente para el control de secuencias.

Protocolo de Comunicación.

Un protocolo de comunicación se define como un conjunto de reglas y procedimientos que proporciona una técnica para gestionar un intercambio de información. Estas reglas y procedimientos proveen la administración, asignación y control de los recursos involucrados en el proceso; asimismo, establecen métodos para evitar y/o resolver problemas producidos por situaciones de excepción ocurridas en cualquiera de los elementos que intervengan en el proceso.


Red de campo.

Físicamente podemos considerar a un bus como un conjunto de conductores conectando conjuntamente más circuitos para permitir el intercambio de datos.

Sistema de control.

El control realimentado aplicado en un proceso para regular la magnitud de una variable en un valor deseado, es común, que en algunos casos el error estático existente es pequeño y es relativamente sencillo mejorar el control a través de correcciones simples, pero en ocasiones no es posible, ya que, por condiciones del proceso se tiene un error estático considerable y/o inestable.

Punto de Ajuste. (set point)

Punto en que una señal se establece bajo ciertos parámetros deseados. Es un punto de consigna para los valores de la señal de la variable.

Sistema de Control de Bucle o Lazo Cerrado.

Es el sistema de control realimentado, donde la señal pasa por el controlador, es comparada y reenviada para establecer el parámetro esperado.

Sistema de Control de Bucle o Lazo Abierto.

Es el sistema donde la salida no tiene efecto sobre la acción del control, no hay comparación entre el valor medido en la salida respecto a la entrada.

Sistema de Control de procesos.

Es un sistema de regulación automática que determina la respuesta de la variable en función de virtudes programadas para el sistema.

Sistemas de Control Realimentado.

Es el que auto corrige las perturbaciones, eliminando los errores para tener la salida ideal.

SCADA.

Un sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos), es definido como un sistema computarizado el cual monitorea o supervisa, plantas y equipos localizados en sitios remotos proveyendo información relevante para una mejor supervisión y control.

La Pirámide de Automatización.

La Organización Internacional de Normalización (ISO) propone un modelo en forma de pirámide, Figura Nº 1, el cual presenta una jerarquía de 5 niveles. Cada nivel se caracteriza por un tipo de información y procesamiento diferente.


La integración de un proceso automatizado incluye la comunicación interna en cada nivel, y la comunicación entre niveles, con el fin de lograr sistemas que permitan ejecutar las diferentes tareas de control existentes en una empresa.

A continuación se da una breve descripción de cada uno de los niveles jerárquicos que constituyen el modelo piramidal de la ISO.

Figura Nº 1. Pirámide de Automatización según ISO

Gestión de Empresa

Comprende los problemas de gerencia de producción, fijación de estrategias y niveles de producción, que están asociados a las políticas globales de la empresa, el factor financiero y el mercado. A este nivel se coordinan las actividades entre las diferentes plantas y unidades completas de producción. El nivel de información manejada es muy grande. Esta información proviene de las plantas y de los factores externos a la empresa. La fijación de estrategias y niveles de producción tienen una larga duración ya que involucran funciones de planificación.

Planificación de Planta

Es la responsable del logro de las metas de producción fijadas a la planta, mediante el manejo y coordinación de los recursos para la ejecución de las diferentes actividades. Funciones como el establecimiento de parámetros y criterios de producción son realizadas a este nivel. Los resultados obtenidos de las funciones realizadas a nivel de planta, directrices, son enviados al nivel de supervisión para que sean implantadas mediante el equipamiento disponible.

GESTIÓN DE EMPRESA

PLANIFICACIÓN DE PLANTA

SUPERVISIÓN

CONTROL

PROCESO


El nivel de planta coordina las diferentes unidades de procesamiento bajo su responsabilidad. Las labores de optimación y planificación de las tareas de producción se realizan a este nivel. La cantidad de información necesaria para estas labores es muy alta, sin embargo el tiempo promedio de separación entre la ejecución de estas actividades varía entre los día y las semanas.

Supervisión

El control supervisorio tiene como función la coordinación de las diferentes unidades de procesamiento y transformación del material, mediante la parametrización de los controladores. A nivel de supervisión, los operadores controlan el proceso y la fijación de parámetros, en su mayoría, es realizada por éstos, aunque pueden estar apoyados por sistemas en línea.

Unidad de control

Los elementos que realizan el control de los procesos trabajan de acuerdo a una parametrización recibida desde el nivel supervisorio. Estos sistemas actúan de manera automática manteniendo el control regulatorio y/o secuencial de los procesos productivos mediante la realimentación.

Proceso

El nivel de proceso se refiere a los instrumentos y equipos que están en contacto directo con el proceso de producción.

Elementos de Automatización

En cada nivel jerárquico un grupo de elementos, tantos físicos como lógicos, permiten conocer y actuar sobre el proceso para conducirlo hacia los requerimientos fijados por la empresa.

Sistemas Físicos

Estos comprenden:

Los sistemas físicos de transformación: El conjunto de maquinas herramientas que permiten transformar o extraer el producto. Estos elementos físicos pueden ser comandados por otros elementos.

Los sistemas de almacenamiento: Lugares donde se almacena materia prima, productos intermedios o productos finales.

Elementos de transporte: Movilizan materiales desde un lugar a otro.

Los detectores y accionadores.

Los sistemas de procesamiento de información e interfaces humano–maquina.

Sistemas Lógicos

Estos comprenden:

Supervisor

Métodos de Supervisión.

ControladorActuador. Sensor.

Algoritmo de Control.

Proceso

Sensor.Actuador.

Figura No.2 Sistemas realimentados jerárquicos.


Sistemas en software para el control y supervisión.

Sistemas de control de producción.

Sistemas de secuenciamiento de la producción.

Estos últimos trabajan con la información proveniente del proceso para lograr alcanzar los objetivos asignados. Para la transmisión de la información entre los diferentes niveles es necesaria la existencia de medios de comunicación. Estos medios de comunicación permiten el intercambio de información entre un sensor y una unidad de procesamiento y entre esta última y un actuador.

En este contexto, los términos actuador y sensor toman un sentido amplio. Un detector es un elemento físico o lógico que permite la medición del estado de una variable o un proceso complejo. De la misma manera, un accionador puede ser una válvula o un relé, pero se puede considerar a un controlador como un accionador para el nivel supervisorio.

Dentro de la pirámide de automatización, la jerarquía mostrada en la Figura Nº 2 muestra el concepto de sensor-actuador para los diferentes niveles. El actuador a nivel del controlador se concibe como un elemento que modifica el algoritmo de control o sus parámetros.

De lo anterior se deduce que las redes de comunicación para el control de procesos, no sólo se refiere al medio y servicios, sino que engloban todos los ambientes asociados al control y gestión de la producción dentro de una empresa. Las características de la transferencia de información (frecuencia, restricciones de tiempo y volumen de la misma) hacen que cada nivel las especificaciones de la red sea diferente. Sin embargo, hay un conjunto de principios que se aplican a los servicios de transmisión y que facilitan el diseño de las mismas y su posterior implantación en sitio.


Aplicaciones Distribuidas

Una aplicación distribuida es un conjunto de programas (procesos) que se ejecutan de una manera concurrente para realizar una tarea común. Los programas que componen la aplicación distribuida, por lo general se ejecutan sobre plataformas diferentes y deben intercambiar información para poder interactuar, de esa forma asegurar la realización de la tarea común. Esto indica que una aplicación distribuida debe cumplir con las propiedades que se mencionan a continuación:

Multiplicidad: Varios recursos, tanto de hardware como de software, pueden

ser compartidos y asignados dinámicamente.

Distribución Física: Los recursos de hardware están dispersos geográficamente y existe un medio de comunicación que permite realizar conexiones físicas entre los mismos y lógicas entre los programas que se ejecutan sobre la infraestructura de hardware.

Autonomía Cooperativa: Los elementos que conforman un sistema distribuido son autónomos, esto es, contienen procesador, memoria, elementos de comunicación y un sistema operativo, etc.

De lo mencionado anteriormente dos elementos son esenciales en un sistema distribuido, las unidades autónomas de procesamiento, las cuales son responsables de la realización de todas las tareas de control de procesos locales y tienen la capacidad de procesamiento multitarea, manejo de entradas / salidas, procesamiento de algoritmos en tiempo real y capacidad de comunicación en red. Y en segundo lugar la red de comunicaciones que está conformada por el medio físico que soporta las comunicaciones entre dos unidades autónomas conectadas en red.

Según la distribución de las aplicaciones, las distancias entre las unidades autónomas de procesamiento, la forma de interconexión entre los procesos, las aplicaciones o sistemas distribuidos se clasifican en:

Fuertemente Acopladas: Un sistema fuertemente acoplado presenta distancias entre los procesadores inferiores a los metros, se comparte memoria en ciertos casos, así como también puede ser usada como medio de comunicación. Los procesadores trabajan bajo el mismo sistema operativo.

Medianamente Acoplados: En estos sistemas los procesadores están en un mismo ambiente de trabajo, la conexión puede ser realizada mediante memorias comunes o barras paralelas. Los procesadores son dedicados funcionalmente y el sistema operativo es único y coordina todas las funciones de los procesadores.

Débilmente Acopladas: Las distancias entre unidades van desde los metros hasta centenas de kilómetros. Las unidades autónomas pueden ser con sistemas operativos diferentes o similares pero independientes. La comunicación se realiza mediante elementos seriales y de baja velocidad con respecto a la velocidad de procesamiento.

TEMA 2: SISTEMAS DE SUPERVISIÓN.Conceptos básicos. Estructura de los sistemas SCADA y de Control Distribuido. Aplicaciones y normativas.


Introducción

Para una mejor comprensión del concepto de Sistema de Supervisión es necesario recordar qué es un sistema; en general, este puede ser entendido como un conjunto de elementos relacionados entre sí que persiguen una misma finalidad. También se define como la unión de dos o más elementos de cualquier clase relacionado entre sí que persiguen un objeto común o propósito final.

Dentro de la Industria son numerosos los artificios creados por el hombre para determinar en forma indirecta las condiciones en que se encuentran sus equipos. Estos métodos indirectos que la tecnología ha desarrollado han surgido como una necesidad en vista de la imposibilidad física que existen en muchos casos de detectar dichas propiedades de una manera directa, por esto surge la idea de diseñar un sistema de supervisión como alternativa de prevención y control de los equipos.

Es necesario tener en cuenta, que para lograr mantener un control permanente sobre un proceso se debe tener sobre él una supervisión que pueda garantizar la detección de datos de forma rápida, precisa y que al mismo tiempo logre captar cualquier tipo de cambio que pueda afectar a los procesos, incorporando para esto un sistema lo suficientemente flexible y con alta capacidad para interactuar con los sistemas de supervisión, monitoreo, control y adquisición de datos a distancia SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) y de esta manera poder tomar la mejor decisión sobre cualquier eventualidad.

Para dicho propósito son utilizados los Sistemas de Supervisión, para recolectar información proporcionada por ciertos equipos y llevarlas después hasta un centro de control donde se tendrá disponible toda esta información transmitida por un medio de comunicación adecuado para luego analizar y tomar las decisiones si estas son necesarias.

También un Sistema de Supervisión ha sido diseñado con el fin de examinar el estado de operación de uno o varios sistemas y detectar las variaciones que se produzcan con respecto a las condiciones de funcionamiento consideradas normales.

Sistema SCADA.

Se ha producido un notable desarrollo en la utilización de la PC integrada en

los sistemas de control de plantas. En los primeros años, todas las funciones de control se centralizaron en el PC, pero luego la tendencia ha sido hacia el control distribuido (RTU, DCS, PLC). Siempre se distinguen tres partes básicas:

-Computador con su hardware y software de base.-Software de adquisición de datos y control.-Dispositivos de entrada/salida (sensores, actuadores y controladores).

El software de adquisición de datos y control al nivel de planta es un elemento clave para desarrollar una estrategia CIM en la empresa. Estos paquetes han evolucionado a partir de los sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), denominación que se aplica a sistemas de control en los que el proceso esta disperso en una amplia superficie geográfica, de aplicación generalizada en la extracción de petróleo, oleoductos, gasoductos, acueductos, etc.


No obstante ya hay una generalización de aplicaciones en plantas o fábrica, donde la conexión a dispositivos de campo se realiza por cable.

El Sistema de Control Supervisorio y de Adquisición de Datos (SCADA), es un tipo de tecnología que permite obtener y procesar información de procesos industriales dispersos o lugares remotos inaccesibles, normalmente en una Sala o Centro de Control es donde esta información se recibe, para su supervisión, control y procesamiento. Es decir un sistema SCADA permite entonces supervisar y controlar simultáneamente procesos e instalaciones distribuidos en grandes áreas, y generar un conjunto de información procesada como, por ejemplo, presentación de gráficos de tendencia e información histórica, de informes de operación y programación de eventos, programas de mantenimiento preventivo.

Tienen una arquitectura Maestro-Esclavo, donde cada dispositivo Remoto responde cuando es interrogado desde una estación central (Maestra). Los mensajes son emitidos desde la Maestra a intervalos regulares y son escuchados por todas las unidades remotas, aunque solo responden aquellas que reconocen su propio numero de identificación.

Un sistema SCADA consta de 3 partes fundamentales:

Unidades Remotas - RTU (Remote Terminal Unit) que reciben señales de los sensores de campo y comandan a los elementos finales de control. Tienen un canal serie de comunicación para interconexión por cable o radio frecuencia Son programables y tienen capacidad de algoritmos de control. Un PLC también puede integrarse dentro de una RTU y formar parte de la estrategia de control que se quiera implementar en el lugar. Un protocolo de comunicación muy utilizado por varios fabricantes es el Fieldbus.

Estación Maestra, es un computador que permite ejecutar un programa SCADA de cierta complejidad, que comprende diversas funciones.

Sistema de comunicación, realizada por distintos soportes y medios de acuerdo al tamaño del sistema SCADA, distancias de las RTU, velocidad y disponibilidad de servicio público de comunicación.

Por Ejemplo:- Línea dedicada.- Línea telefónica.- Coaxial/fibra óptica.- Telefonía celular.- Radio VHF (Very High Frecuency)/UHF (Ultra High Frecuency).- Microondas.- Satélite.

A continuación se muestra una configuración típica de un sistema de Automatización Industrial a Nivel operacional.

El sistema operacional de SCADA se divide en tres niveles:

Nivel Operacional 1 (Subsistema de Instrumentación y Control Local).

Este nivel se encuentra en contacto directo con el proceso y por lo tanto se encuentra distribuido en las localidades remotas a las que se quieren controlar y supervisar. Aquí se encuentran las redes de campo que incluyen toda la instrumentación asociada con el proceso, los elementos finales de control, así como los medios de conversión de la información en un medio digital apropiado para su transmisión al Nivel 3 o Subsistema de Procesamiento de Datos y Control Global.


Este Nivel 1 o Subsistema de Instrumentación y Control Local esta constituido por equipos específicos (controladores y redes de campo) que se ubican lo mas cerca posible del proceso: instrumentos de medición (temperatura, flujo, presión, nivel, etc.), sistema PLC’S, sensores, actuadores, válvulas de control, bombas, compresores, etc. Bajo instrucciones desde el centro de control, en el Nivel 1 se realizan las operaciones de control y los ajustes en la tabla de configuración de parámetros tanto continuo como discreto de un lazo de control para su transmisión a los niveles superiores, algunas de estas funciones se integran a la denominada “Unidades Terminales Remotas (RTU)”.

Nivel Operacional 2 (Subsistema de Comunicaciones).

En cada localidad remota de interés se instala un servidor de adquisición y control que junto con el transmisor/receptor de comunicaciones constituye la unidad remota o RTU, la cual debe mantenerse en comunicación continua con el Centro de Control. Esta comunicación la realiza el subsistema de comunicaciones por un sistema de comunicaciones dado utilizando protocolos especiales.

El Servidor de Comunicaciones junto con los radios bases constituye la estación maestra (MTU). La función general de la MTU es la de realizar todas las labores de interrogación y comunicaciones entre el Nivel 1 y el Nivel 3. Se utilizan medios radioeléctricos de transmisión, sin embargo, se puede utilizar conductores metálicos, fibras ópticas, satélites, rayos infrarrojos, láser, etc. La selección del medio de transmisión depende fundamentalmente, aparte de los aspectos económicos de las condiciones climáticas o geográficas, muchas veces el medio de transmisión es una combinación de los antes mencionados.

Los protocolos utilizados en el subsistema de comunicaciones, denominados protocolos industriales o de campo, permite la interacción entre los equipos de comunicación. Estos protocolos están constituidos por un conjunto de reglas y procedimientos para el intercambio de mensajes, detección y corrección de errores, para establecer las secuencias y lazos de control y supervisión.

Nivel Operacional 3 (Subsistema de Procesamiento y Control Global).

Una vez que los datos han sido recolectados desde las localidades remotas y transmitidos al Centro de Control, Nivel 3, es necesario realizar sobre ellos un cierto procesamiento en tiempo real a fin de obtener información útil acerca de los procesos, presentarla al operador (o usuario) y emprender acciones de supervisión y control cuando sea necesario. Este trabajo lo realiza el subsistema de procesamiento de datos, el cual es el brazo operativo del Centro de Control y es el encargado de ordenar y procesar la información que es recibida del proceso mediante los enlaces de comunicación. El Centro de Control debe poseer una alta capacidad de computación y normalmente está constituido por computadoras y redes de alta velocidad, interfaces hombre-maquina, bases de datos, servidores de aplicación (de impresión, de archivo, de datos históricos, de monitoreo, etc.). Todos estos recursos deberán ser redundantes para asegurar la confiabilidad e integridad en todas las operaciones.

Software SCADA.

Todo proceso productivo con cierto grado de automatización debe disponer de un sistema de supervisan y control que proporcione la información imprescindible para la toma de decisiones basadas en la propia información del proceso y otras informaciones del resto de la organización. En la Figura Nº 3 se puede apreciar la configuración típica del software SCADA.

Figura No.3 Configuración típica del software SCADA.

Modem

LAN

Medios y Protocolos de Comunicación

Consolas de Operación

Front-end de Comunicaciones

Instrumentación de Campo

SCADA I/O

Drivers DDL Drivers DLL

Provisto por el Proveedor de SCADA


El software SCADA se ajusta a estas premisas. Tienen 4 niveles principales:

Gestión: Intercambio de información para la toma de decisión estratégica. Operación: Supervisión, mando y adquisición de datos del proceso. Control: Dispositivos de control distribuido. Sensores y Actuadores: Dispositivos de campo e instrumentación.

El Software SCADA Comprende diversas funciones como:

Manejo del soporte o canal de comunicación. Manejo de uno o varios protocolos de comunicación (Drive). Manejo y actualización de una Base de Datos. Administración de alarmas (Eventos). Generación de archivos históricos.

Debe tener capacidad para comunicarse con múltiples redes de instrumentos, aun siendo de distinta procedencia y fabricantes (standard IEC 1131.3).

Debe comunicarse con otros paquetes de software por medio de DDE (Dynamic Data Extrange) –DLL (Dynamic Link Libraries) como canal de comunicación, implementados por el sistema operativo, que permite que diversos paquetes de software envíen y reciban datos comunes. Por ejemplo se puede relacionar una celda de una hoja de calculo con una variable del sistema y así variar puntos de consignas del proceso, o bien establecer comunicación directa con los drivers de I/O de los dispositivos de campo.

Un Driver de campo, figura Nº 4, es un software que se ejecuta dentro del sistema SCADA y actúa como interface para posibilitar la transmisión de datos entre la puerta serie del computador y los dispositivos de campo.

Aplicación Aplicación Aplicación Aplicación

Servidor A Servidor B

ANTES AHORA

Servidor A Servidor B


Un SCADA debe comunicarse en red para intercambiar datos con otros sistemas SCADA o con nodos ajenos al sistema, tales como bases de datos gerenciales, estadísticas, de producción. La facilidad de protocolos de red (TCP/IP, IPX/SOX, NETBIOS, etc) hace que el sistema de automatización se integre en el ambiente corporativo de la organización, creando una comunicación fluida entre los niveles de fábrica, operación y dirección. Toda esta integración permitirá implementar fácilmente alguna estrategia CIM (Manufactura Integrada por Computadora).

Las interfaces API (Appication Programming Interfaces) para gráficos, base de datos, informes, estarán disponibles para que el usuario pueda utilizarlas a través de lenguajes de programación, como C o Visual Basic. Con dichos lenguajes puede desarrollar nuevas Interfaces que le permitan implementar: Modelos matemáticos para optimizar el proceso, ejecución de algoritmos de control específicos, aplicaciones estadísticas, interfaces especiales de mantenimiento y gestión, etc.

Sistema SCADA Con OPC.

Una dificultad de las operaciones de control industrial es la de compartir información entre dispositivos inteligentes de campo, como así también con el resto de la empresa. El problema hasta ahora se ha resuelto escribiendo un sinnúmero de protocolos, que definen de que manera se estructuran los datos que transmite cada dispositivo. Esta diversificación obliga a los desarrolladores de software SCADA a incorporar centenares de driver para cada fabricante.

Se ha desarrollado una norma de intercambio de datos, Figura Nº 5, para el nivel de planta basada en la tecnología OLE (Object Linking and Embedding) denominada OPC (OLE for Process Control), que permite un método para el flujo transparente de datos entre aplicaciones corriendo bajo sistemas operativos basados en Microsoft Window.

El advenimiento de arquitectura de software basadas en objetos y de drivers basados en OPC en los paquetes SCADA, a tenido un gran impacto en los costos. Toda actualización o incorporación de drivers es fácil y se amplia el ciclo de vida de los paquetes SCADA.

Servidor de Comunicaciones (Redundante)

TX

RX

Computador de ProcesosComputador de Procesos Gestión de Red

Antena Omnidireccional

MTU

Redes de Procesos (Redes de Área Local)


Se dispone de una versión inicial de la norma desde mayo de 1996. OPC es un primer paso concreto que permite una red para compartir los datos de los dispositivos a nivel de proceso. Con la tecnología de objetos, se ofrece al usuario dos ventajas básicas:

Permite crear objetos, que son piezas de código reutilizables para facilitar la implantación y mantenimiento de las aplicaciones.

Permite crear objetos entre diferentes aplicaciones de modo que puedan inter operar y comunicarse a través de una red.

Esto permite que múltiples dispositivos que hablan diferentes protocolos, puedan compartir el mismo puerto de comunicación del maestro de SCADA, eliminando así la necesidad de tener un puerto para cada protocolo.

Este arreglo, presente en casi todos los procesos de transmisión de datos, es muy eficiente por cuando la transmisión de datos se efectúa en forma esporádica y por ráfagas; sin el servidor de comunicaciones el tráfico en tiempo real de un gran numero de entradas puede consumir grandes cantidades de tiempo de computación y el computador del proceso no podrá atender debidamente aquellas tareas orientadas a las aplicaciones para las cuales esta destinado. Ver figura Nº 6.

El servidor efectúa todas las tareas de recepción, formato codificación, almacenamiento, etc. Para un uso mas frecuente de los recursos presentes, en algunos casos de altas velocidades, la transferencia de información entre el servidor de comunicaciones y el computador se hace por acceso directo a memoria (DMA), es decir, el servidor coloca directamente en la memoria del computador toda la información que este necesita.


En los grandes sistemas de automatización de procesos los servidores de comunicación se utilizan en pares: uno activo y otro de reserva.

Las unidades de reserva mantienen energizada y debe contar con la información de las bases de datos, despliegues, cargas, etc, actualizados.

Esto permite asumir el completo control del sistema al ocurrir una falla en la maestra activa. Este tipo de configuración permite maximizar la disponibilidad y confiabilidad del sistema.

La Unidad Terminal Maestra de interfaces inteligentes entre el operador y el proceso o la planta a supervisar y controlar, tiene la tarea de comunicarse con las Unidades Remotas, ubicadas en sitios distantes y el procesamiento de la información suministrada por estas. Es decir, la Unidad Terminal Maestra procesa la información (datos) de campo proveniente de sensores remotos. Procesa luego esta data para ser desplegada en las estaciones de trabajo y producir mensajes en la impresora. Además, convierte las entradas (comandos) efectuados por el operador, en los teclados, a data que es transferida a través de líneas de comunicación a los controladores y finalmente al equipo a ser controlado.

Entre las funciones principales que se le pueden atribuir a la estación maestra encontramos las siguientes:

Interrogación periódica a las Unidades Terminal Remota.

Desplegar mensajes o alarmas, de forma visual y/o sonora, que correspondan a eventos que requieran la atención del operador.

Guardar históricos de datas las operaciones que realiza el sistema, incluyendo mensajes, alarmas, y diagnostico.

Impresión de reportes de las operaciones realizadas por el sistema incluyendo mensajes, alarmas, y diagnostico.

Almacenar en forma permanente alguna de las variables del proceso

Para enviar la información la MTU utiliza, por lo general, el mismo medio que la RTU usa para transmitirle la información, también usa el mismo protocolo que la RTU, se comunican iniciados por programas dentro de la MTU, que pueden ser activados por operaciones manuales del operador o por otros programas de la MTU.


Relación entre la RTU y el PLC.

Los PLC con interfaces de comunicación conectados a un computador central pueden redimensionar el concepto que relaciona un PLC con un sistema micro-computarizado central como una RTU o un sistema de adquisición de datos.

Si las secuencias y el control están establecidas dentro del PLC entonces es posible la comunicación directa entre la estación maestra y el PLC. Como consecuencia, los PLC pueden operar como una RTU, de modo tal de eliminar la necesidad de un equipo electrónico adicional con los elementos para la instalación del mismo.

La reciente tendencia en la industria ha sido diseñar y construir unidades terminales remotas RTU más “inteligentes” y con más capacidad de control local; y la tendencia convergente de evolución de los PLC ha sido la de mejorar la inteligencia y capacidad de comunicación hasta el punto donde las dos tecnologías se solapan. Esta evolución tecnológica da mayor flexibilidad en la ingeniería de diseño para seleccionar opciones con base en los requerimientos bajo consideración.

Adicionalmente, un PLC puede ser conectado a una RTU a través del cableado de señales analógicas y digitales desde el sistema de control e instrumentación o a través de un puerto serial de transmisión de datos, el PLC puede comunicarse directamente con la estación maestra. El protocolo de comunicación entre la MTU (Unidad Terminal Maestra) o RTU y el PLC es una importante consideración cuando se determina la configuración definitiva del sistema durante la fase conceptual y básica del proyecto de ingeniería.

TEMA 3: BUSES DE CAMPO.Introducción. Tecnología de buses de campo. Protocolos de comunicación. Redes de Campo. Foundation Fieldbus. Profibus. Normativas.

Introducción

Las redes de campo están orientadas a la conexión de instrumentos (accionadotes y detectores) a equipos de control directo tales como, PLC, RTU y equipos centrales. El número de equipos de control va desde pequeñas cantidades hasta la centena dependiendo de la complejidad del proceso y dependiendo de la complejidad del proceso como ejemplo se tienen los estándares IEEE488, PROFIBUS, FIELBUS y ASI-BUS.

Por lo general una red de campo sólo conecta a una red de control con el conjunto de detectores y accionadores que dependen directamente de él. Las restricciones de tiempo son altas, pues el control de procesos depende de la velocidad con que los datos son transmitidos y procesados en las estaciones de control directo. Las características que pueden poseer las redes de campo pueden resumirse de la siguiente manera:

- Sobre ellas se transmiten mensajes cortos.- Mensajes periódicos y con intervalos cortos.- Pequeños tiempos de respuestas.


REDES DE CAMPO.

Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15 psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 mA cc). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos históricamente; su precisión es diez veces mayor que la de la señal típica de 4-20 mA cc. En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus.

La Tecnología de Buses de Campo.

Físicamente podemos considerar a un bus como un conjunto de conductores conectando conjuntamente más circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario a una conexión punto a punto donde solo dos dispositivos intercambian información, un bus consta normalmente de un número de usuarios superior, además que generalmente un bus transmite datos en modo serial, a excepción de algún protocolo de bus particular como SCSI, o IEEE-488 utilizado para interconexión de instrumentos de medición, que no es el caso de los buses tratados como buses de campo.

Para una transmisión serial es suficiente un número de cables muy limitado, generalmente son suficientes dos o tres conductores y la debida protección contra las perturbaciones externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial.

Ventajas de un Bus de Campo

El intercambio se lleva a cabo por medio de un mecanismo estándar. Flexibilidad de extensión. Conexión de módulos diferentes en una misma línea. Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes procedencias. Distancias operativas superiores al cableado tradicional. Reducción masiva de cables y costo asociado. Simplificación de la puesta en servicio.

Desventajas de un Bus de Campo

Necesidad de conocimientos en el área. Inversión de instrumentación inteligente y accesorios de diagnóstico. Costos globales inicialmente superiores.

Comúnmente dichas redes incluyen en los dispositivos y buses de campo las clases CANOpen, DeviceNet, Fieldbus Foundation, Interbus-S, Lonwork, Profibus-DP, etc.

Buses de Control.

Típicamente los buses de control para redes de punto a punto, entre controladores como PLC (Controlador Lógico Programable), DCS (Sistemas de control distribuido), Sistemas de consolas terminales usados para HMI (Interfase Hombre Máquina), almacenamiento histórico y control supervisor; son usados para coordinar y sincronizar el control entre las unidades de producción y las celdas de


manufacturación. Usualmente son empleados como buses controladores para redes industriales (Control Net, Profibus-FMS, Map).

Adicionalmente, suele usarse frecuentemente Ethernet con TCP/IP como un bus controlador para conectar dispositivos de alto nivel y consolas terminales. Pueden usarse también redes Ethernet como GATEWAY para conectar otras redes industriales. En este caso es recomendado aislar el segmento de la red industrial Ethernet del bus principal con un puente (Bridge) para hacer el segmento independiente.

Componentes de las Redes Industriales.

En grandes redes industriales un simple cable no es suficiente para conectar el conjunto de todos los nodos de la red. Deben definirse topologías y diseños de redes para proveer un aislamiento y conocer los requerimientos de funcionamiento.

Repetidor.

El repetidor o amplificador es un dispositivo que intensifica las señales eléctricas para que puedan viajar grandes distancias entre nodos. Con este dispositivo se pueden conectar un gran numero de nodos a la red; además se pueden adaptar a diferentes medios físicos como cable coaxial o fibra óptica.

Enrutadores.

Es un interruptor (switch) "Enrutador" de paquetes de comunicación entre diferentes segmentos de red que definen la ruta.

Bridge.

Con un puente la conexión entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes características eléctricas y protocolos; además puede enlazar dos redes diferentes.

Gateway.

Un gateway es similar a un puente ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos y además las aplicaciones pueden comunicarse a través de él.

Topología de las Redes Industriales.

Los sistemas industriales usualmente consisten de dos o mas dispositivos, como un sistema industrial puede ser bastante grande debe considerarse la topología de la red; las topologías más comunes son:

Red Bus.

Enlaza todos los dispositivos en serie por conexiones extensas con un mismo cable (Figura nº 7); dependiendo del tipo de red muchos nodos pueden estar empalmados en el bus y comunicarse con otros nodos por el mismo cable. Además esta topología es simple de entender fácil de extender, pero también presenta una serie de desventajas, por ejemplo: una ruptura del cable puede causar fallas de comunicación a un número de dispositivos y la congestión en el tráfico de la red reduce la comunicación en la misma.

Figura No 7 . Red Bus.

Figura No. 8 Red Jerárquica o Estrella.

Figura No. 9 Red Híbrida o en Anillo.


Red Jerárquico o Estrella.

Tiene un controlador central y uno o más segmentos de conexión de red que parten del concentrador; Figura Nº 8, con la topología estrella se pueden agregar fácilmente nuevos nodos sin interrumpir la operación de la red. Entre los beneficios de esta topología se encuentran que ante la falla de un dispositivo no se interrumpe la comunicación entre algunos otros dispositivos y la red; pero al fallar el concentrador la red entera falla.

Red Híbrida o Anillo.

Es la más usada para aplicaciones industriales ya que permite la combinación de las topologías bus y estrella para crear grandes redes que consisten en concertadores y miles de dispositivos iguales, Figura Nº 9. Su configuración es muy popular en las redes industriales Ethernet, Fieldbus Foundation, Device Net, Profibus y CAN, usando buses híbridos y topología estrella dependiendo de la aplicación requerida.

Las redes en topología Híbrida ofrecen las ventajas y desventajas de las topologías de red Bus y Estrella, se puede configurar dicha red híbrida para que al fallar un dispositivo no se saque a otro de servicio y se pueden adicionar o retirar segmentos de red sin afectar algún nodo de la ya existente.

Beneficios de una Red Industrial.


Entre los beneficios que se pueden tener al implementar una red se tienen los siguientes:

Reducción del cableado (físicamente). Dispositivos inteligentes (funcionalidad y ejecución). Control distribuido (Flexibilidad). Simplificación de cableado de las nuevas instalaciones. Reducción de costo en cableado y cajas de conexión. Aplicable a todo tipo de sistema de manufactura. Incremento de la confiabilidad de los sistemas de producción. Optimización de los procesos existentes.

FIELDBUS.

La tecnología fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad que esta creada para remplazar la clásica señal de 4-20 mA que aún se utiliza en muchos de los sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) PLC (Controladores Lógicos Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control. La arquitectura fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinación y dirección de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tiene una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible intercambiar los instrumentos de un fabricante por otro similar.

Es claro que estas tecnologías cerradas tienden a desparecer ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y así tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados.

La Red de Campo o Fielbus es un nombre genérico para una cantidad de protocolos de campo o protocolos industriales. Una Red de Campo es una red digital de comunicaciones serie, multipunto, bidireccional, compartida por diferentes elementos de campo (controladores, sensores, actuadores, transmisores, etc.), que permite la transferencia de datos e información de control entre estos elementos primarios de automatización, control y monitoreo, con elementos de más alto nivel tales como los DCS y los SCADA.

Cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente que tiene su propia capacidad de computación y es capaz de ejecutar funciones sencillas tales como diagnóstico, control, mantenimiento, así como capacidad de intercomunicación con elementos de más alto nivel, estos dispositivos se conocen con el nombre de “Dispositivos Electrónicos Inteligentes” (Intelligent Electronic Device, IED). En esencia, la red de campo reemplazará las redes de control centralizado por subredes de control distribuidos.

Tipos de Fieldbus.

Existen dos tipos de redes fieldbus, diferenciadas por la unidad de conexión al medio, las cuales definen un fieldbus H1 de baja velocidad (31.25 Kbps DC) y fieldbus H2 de alta velocidad (1 y 2,5 Mbps DC y 1 Mbps AC), cada uno trabajando con su conjunto de especificaciones propias.

Fieldbus H1 de 31.25 Kbps.

Figura No 10 Topología de Árbol BUS H1..

Caja de Conexiones


Su velocidad de transmisión (31.25 Kbps), permite la interconexión de dispositivos de campo en una red de baja velocidad, teniendo hasta un máximo de 32 dispositivos en un solo bus, bajo una topología física de bus lineal (la topología de árbol se considera dentro de la norma como un tipo especial de bus).

Este tipo de bus se proyecta como el más probable de utilizar inicialmente en las aplicaciones de la industria en general, debido a que dentro de sus especificaciones se enmarca la posibilidad de la reutilización del cableado existente utilizado por los tradicionales sistemas de señales de 4 – 20 mA. Su aplicación es aceptable para planes de migración de sistemas actuales analógicos hacia la nueva tecnología digital fieldbus.

Su implementación está más orientada directamente hacia las redes de control local de procesos, integrando los dispositivos de campo en una topología física de árbol, como se muestra en la figura Nº 10, teniendo como punto de interconexión en campo cajas de conexión a distancias cortas de los dispositivos.

En la siguiente tabla se presenta las reglas básicas de configuración del Fieldbus de baja velocidad H1 de 31,25 Kbps. Para una descripción total de las especificaciones consultar las norma ISA-S50.02

Cableado Par trenzado

Numero de dispositivos

- Entre 2 y 32 dispositivos sin seguridad intrínseca (SI) y sin alimentación de potencia a través del conductor de la señal.- Entre 2 y 6 dispositivos alimentados por el bus, con SI .- Entre 1 y 12 sin SI con alimentación de poder a través del conductor de la señal.

Longitud del cable Máximo 1900 metros entre dos dispositivos.

Rata de transmisión de bits31,25 Kbps ±2% con un mínimo de longitud de frame de 16 octetos.

Máximo retardo de propagación 20 bit times.Numero máximo de repetidores

entre dispositivos 4

Fieldbus H2 de 1 o 2,5 Mbps.

Dentro de este fieldbus H2 de alta velocidad, operando a 1 ó 2,5 Mbps, ofrece otra alternativa de bus de campo de mayor velocidad pero de menor longitud de la red, su utilización se plantea como integración de buses, conectando distintos

Tabla No 1. Reglas básicas de configuración de 31,25 Kbps en modo de voltaje.


fieldbuses H1 con puentes (bridge) de conversión de H1/H2. Su topología física principal es de bus lineal.

El fieldbus H2 de alta velocidad está orientado hacia la interconexión de módulos de red independientes de baja velocidad, en una red que integre todo el sistema de una instalación como una unidad de producción. Su aplicación plantea también la posibilidad de interconectar equipos que realicen tareas de concentración de información y control (avanzado, óptimo, inteligente, supervisorio, etc.) en redes de área local de poca distancia.

En las siguientes tablas se presentan las reglas de configuración básicas del fieldbus de alta velocidad H2 de 1 y 2,5 Mbps. Para una descripción total de las especificaciones consultar la norma ISA-S50.02.


Numero de dispositivos32 dispositivos sin Alimentación de poder a través del cable, y sin certificación de SI.


Rata de transmisión de bits1 Mbps ±0.01% con un mínimo de longitud de frame de 16 octetos.

Máximo retardo de propagación 40 bit times.Numero máximo de repetidores entre

dispositivos 4


Numero de dispositivosEntre 2 y 32 dispositivos alimentados y no alimentados por el bus, y en áreas peligrosas usando barreras.


Rata de transmisión de bits1 Mbps ±0.01% con un mínimo de longitud de frame de 16 octetos.

Máximo retardo de propagación 40 bit times.Numero máximo de repetidores entre

dispositivos 4


Numero de dispositivosEntre 2 y 32 dispositivos no alimentados por el bus.


Rata de transmisión de bits2,5 Kbps ± 0.01% con un mínimo de longitud de frame de 16 octetos.

Máximo retardo de propagación 40 bit times.Numero máximo de repetidores entre 4

Tabla No. 2. Reglas básicas de configuración de 1 Mbps en modo de voltaje.

Tabla No. 3 Reglas básicas de configuración de 1 Mbps en modo de Corriente.


dispositivos

Características de la Red de Campo.

El Fieldbus permite remotamente en el proceso de control o en el dispositivo, determinar el estado del dispositivo de campo, enviar comandos de control hacia el dispositivo, y parametrizar, estableciendo un diagnóstico de causa en caso de presentarse una falla, realizar en línea las calibraciones. Además debe cumplir con los requerimientos de: modularidad, seguridad; inmunidad a interferencias; fácil instalación, mantenimiento y programación; cableado simple punto a punto, facilidad de expandir la red.

La red de campo deberá tener las siguientes características básicas deseablemente:

- Modo de Transmisión serie asíncrona, HDF/FDX y una variada gama de velocidades de transmisión en los niveles de adquisición, transmisión y procesamiento.

- Protocolos relativamente simples y limitados, de fácil configuración. Abierto, ínteroperable, multivendedor y con especificaciones disponibles sin acuerdos de licencia.

- Funcionamiento en tiempo real con prestaciones (performance) predecibles.

- Estado de la estaciones accesible en cualquier momento.

- Intercambio de mensajes con y sin confirmación.

- costo de instalación y mantenimiento, e independencia de los fabricantes.

- Servicios de conformación / verificación independientes y con reconocimientos.

- Versatilidad para atender simultáneamente procesos continuos y discretos, que impliquen mejores tiempos de respuesta, optimización de las distancias de cableado, seguridad intrínseca, etc.

- Capacidad de aplicación en el campo de la generación y transporte de energía eléctrica.

Arquitectura de la Red de Campo.

La necesidad de un protocolo de campo estándar único se justifica en los proyectos de automatización de procesos integrados desde el nivel de campo hasta el nivel gerencial y corporativo. La optimización de estos sistemas se lograra cuando a todos los niveles se maneje un protocolo de comunicaciones abierto y compatible con el modelo de referencia ISO/OSI, Figura Nº 11.

Las organizaciones que están patrocinando la creación de una red de campo única están de acuerdo en el requerimiento básico de que esta red debe ser compatible con el modelo ISO/OSI; pero la compatibilidad total no es necesaria ni deseable porque ello implicaría pobres prestaciones en tiempo real.

Tabla No 4. Reglas básicas de configuración de 2,5 Mbps en modo de voltaje.

Nivel Usuario

Nivel Aplicación

Nivel Presentación

Nivel de Sesión

Nivel de Transporte

Nivel de Red

Nivel Enlace de Datos

Nivel Físico

Nivel Usuario

Especificación de mensaje de Fieldbus

Subnivel Acceso Fieldbus

Nivel Enlace de Datos

Nivel Físico Nivel Físico

Stack de Comunicaciones

Nivel Usuario

7

6

5

4

3

2

1

Modelo OSI Modelo Fieldbus

Figura No. 11 Fieldbus en el modelo de referencia ISO/OSI.


La compatibilidad parcial permite que la red de campo sea más coherente con redes de área local de más alto nivel, mientras conserva las características y técnicas ya probadas en los niveles de capa física y de enlace.

En su esfuerzo unificador la ISA y la IEC han venido desarrollando un estándar con el nombre de ISA/IEC SP50 Protocol. Este estándar es compatible con las Capas Físicas, Enlace y Aplicación del modelo ISO/OSI.

En la red de campo estándar se utilizara entonces las Capas Físicas, Enlace y Aplicación, cuyas características estarán enfocadas al desarrollo de las funciones siguientes:

Nivel Físico.

Comprende las características mecánicas, eléctricas y funcionales para establecer y liberar conexiones física) responde a normas ISA/IEC (ISA 550.02-1992/IEC 1158.2.

- Velocidades de transferencia apropiadas. En el estándar SP50 se ha normalizado tres velocidades: 31,25 kbps, 1 Mbps y 2,5 Mbps.

- Distancias máximas optimizadas para cada nivel de operación (adquisición, transmisión y procesamiento). En SP50 la máxima distancia permitida entre dos dispositivos sobre par trenzado es de 1900 m a 31,25 kbps, 750 m a 1 Mbps y 500 m a 2,5 Mbps.

- Codificación y Transmisión Digital de Datos. Transmisión Serie, Sincronía, HDX. Se utiliza el código Manchester.


- Topologías: barra, árbol y punto a punto.

- Características Eléctricas, Mecánicas, Funcionales y de Procedimiento.

- Requerimientos para los diferentes componentes de la red, por ejemplo, seguridad intrínseca y alimentación de potencia.

- Configuración del medio físico para alcanzar una gran integridad en la transmisión (medios para control de error) y para la interoperabilidad e intercambiabilidad de dispositivos.

Nivel de Enlace.

Establece la vinculación con el Nivel Físico. Su función es la de controlar la transmisión de mensajes hacia y desde el Nivel Físico.

El acceso al bus se realiza mediante el programa LAS (link Active Scheduler) que actúa como un centralizador y arbitrador de uso del bus, permitiendo una comunicación determinista realizando una distribución del tiempo para que todo dispositivo conectado sea sensado. Además permite que todos los datos publicados en el bus están disponibles para todos los dispositivos conectados que los reciben simultáneamente.

- Establecimiento / Desconexión del enlace lógico.

- Direccionamiento de estaciones.

- Conformación de las tramas.

- Control de error y flujo en el enlace.

- Control del enlace de Datos (FDLC) y de Acceso al Medio (FMAC).

- Medios para la transmisión eficiente y segura de mensajes (Código CRC).

Nivel de Aplicación.

El Nivel de Aplicación comprende la transferencia de datos desde en Nivel 2 al Nivel 7 y el tratamiento de los comandos del Nivel de Usuario para direccionar y acceder por su nombre los dispositivos remotos.

- Servicios: normalización y secuenciamiento de bloques funcionales y descripción de los dispositivos de campo.

- Modelo Cliente – Servidor.

- Interfaces Usuario / Paquetes de mercadeo (Algunas veces se considera este renglón como una capa de usuario superior a la Capa Aplicación).

Nivel Usuario.


Define una interfase que permite que el usuario interactué con los dispositivos de campo. Hay dos recursos importantes: los bloques y la descripción de dispositivos. Existen 3 tipos de bloques:

- Bloque de Recurso: Describe características del dispositivo tales como: nombre, fabricante, modelo y numero de serie.

- Bloque de Función: Son objetos que proveen acciones de control en base al comportamiento de las I/O del dispositivo. Los bloques pueden residir dentro de los dispositivos de campo y estar disponibles para otros, a través de la red. La tabla siguiente reúne algunas funciones usuales de control y de I/O:

Bloque de función SímboloAnalog Input AI

Analog Output AODiscrete Input DI

Discrete Output DOManual Loader ML

Proportional/Derivative PDProportional/Integral/Derivative PID

- Bloque de Transferencia: Acopla o desacopla bloques de funciones de acuerdo al requerimiento local de las I/O del dispositivo. El usuario crea aplicaciones sobre el bus de campo, conectando los bloques de función formando una estrategia de control distribuido, pudiendo especificar en que tiempo y en que dispositivo se ejecutan. Por ejemplo las funciones AI, PID y AO pueden residir en forma individual en un transmisor, en un controlador de lazo abierto y en un actuador respectivamente.

PROFIBUS.

Profibus (Process Field Bus) es un bus de campo y proceso abierto independiente del fabricante. Su área de aplicación abarca manufacturación, procesos y automatización de edificios. La independencia del fabricante y es un sistema abierto. Con profibus los dispositivos de diferentes fabricantes pueden comunicarse sin necesidad de adaptaciones mediante interfaces especiales. Profibus puede ser empleado tanto para transmisiones de datos de alta velocidad y tiempos críticos, como para tareas intensivas de comunicación compleja. El objetivo de este esfuerzo de normalización es poder conectar en una red local autómatas programables y equipos de campo como sensores, actuadores, transmisores, máquinas herramientas de control numérico, etc.

Es un estándar originado en normas alemanas y europeas DIN 19245 partes 1 y 2 / EN 50170. Cumple también con el modelo OSI de 7 niveles y las normas ISA/IEC. Utilizado en aplicaciones de alta velocidad de transmisión de datos entre controladores de I/O y complejas comunicaciones entre PLC. Para diferentes tipos de comunicación presenta distintos tipos de soluciones, los cuales satisface con 3 implementaciones separadas y compatibles entre ellas: FMS, DP y PA.

Tipos de Profibus.

Tabla Nº 5. Bloques de Funciones.


La familia Profibus consiste en tres versiones compatibles:

Profibus-DP.

Esta diseñado para la comunicación con sensores y actuadores, donde importa la velocidad sobre la cantidad de datos (Tiempo de ciclo del bus < 10 ms.). En una red DP un controlador central como PLC o PC se comunica con los dispositivos de campo.

Tiene definido los niveles 1 y 2 del modelo OSI, pero no los nivele 3 al 7. Tiene definido el Nivel de Usuario y dispone de un servicio de intercomunicación con el Nivel 2. Para el Nivel 1 dispone soporte de fibra óptica en RS-485.

Optimizado para alta velocidad y enganche económico. Esta versión de Profibus está diseñada especialmente para comunicación entre sistemas automáticos de control y E/S distribuidos a nivel de campo. Puede ser empleado para reemplazar transmisiones paralelas de señales con 24V o 0 a 20mA.

Profibus-PA.

Está especialmente diseñado para automatización de procesos. Permite que sensores y actuadores puedan ser conectados a un bus común en áreas intrínsecamente seguras. Permite comunicación de datos y transporte de energía sobre el mismo bus empleando tecnología de dos cables, acorde con el estándar internacional IEC 1158-2. Utiliza el mismo protocolo de transmisión que el DP, ambos pueden ser integrados en la red con el uso de un segmento acoplador.

Profibus-FMS.

Es la más completa y esta diseñada para proveer facilidades de comunicación entre varios controladores programables como PLC y PC ( Red de Celdas) y acceder también a dispositivos de campo (Tiempo de ciclo del bus < 100 ms.) Este servicio permite acceder a variables, transmitir programas y ejecutar programas de control tan pronto ocurra un evento.

Tiene definido los niveles 1, 2 y 7. Mediante el FDL (Fielbus Data Link) se realiza el control y acceso al bus correspondiente al Nivel 2. Con el FMS Fieldbus Message Specifications se implementa el Nivel 7 vinculando el Usuario con el Nivel 2. Para el Nivel dispone soporte de fibra óptica en RS-485.

Es la solución de propósito general para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen gran flexibilidad. También puede ser empleado para tareas de comunicaciones extensas y complejas.

Características de la Red de Campo.

Profibus especifica la características técnicas y funcionales de un sistema basado en un bus de campo serie en el que controladores digitales descentralizados pueden ser conectados entre si desde el nivel de campo al nivel de control. Se distinguen dos tipos de dispositivos:

Dispositivos maestros: determinan la comunicación de datos sobre el bus. Un maestro puede enviar mensajes sin una petición externa cuando mantiene el control de acceso al bus (la señal). Los maestros también se denominan estaciones activas en el protocolo Profibus.

(7) Aplicación

(7) Capa de aplicación (FMS/LLI)

(6) Capa de Presentación

(5) Capa de Sesión

(4) Capa de Transporte

(3) Capa de Red

(2) Capa de Enlace (FDL)

(1) Capa Física (PHY)

Fieldbus Management (FMA)

Figura No. 12. Profibus en el modelo de referencia ISO/OSI.


Dispositivos esclavos: son dispositivos periféricos. Los esclavos son normalmente dispositivos de E/S, válvulas, actuadores y transmisores de señal. No tienen el control de acceso al bus y sólo pueden recibir mensajes o enviar mensajes al maestro cuando son permitidos para ello. Los esclavos también son denominados estaciones pasivas. Por todo lo anterior sólo necesitan una parte del protocolo del bus, siendo su implementación particularmente económica.

Arquitectura de la Red de Campo.

La arquitectura PROFIBUS está modelada de acuerdo con el modelo de referencia ISO/OSI, restringida a 3 capas:

1. Nivel de aplicación (compuesta de las subcapas F y LLI, Layer 7)2. Nivel de enlace (FDL Layer, Layer 2).3. Nivel físico (PHY Layer, Layer 1).

La especificación de las dos capas inferiores está descrita en "DIN 19.245, parte 1", mientras que la capa de aplicación lo está en "DIN 19.245, parte 2". Las capas 3 a 6 del modelo de referencia ISO/OSI, Figura Nº 11, no están implantadas en el modelo PROFIBUS, estado su funcionalidad transferida a la capa de aplicación.

La elección del medio de transmisión y del interface físico de bus vendrá determinado principalmente por el área de aplicación del sistema de bus de campo. Se han considerado los costes de compra e instalación, además del grado de fiabilidad en la transmisión. Por lo tanto, el estándar PROFIBUS prevee la posibilidad de especificar diferentes tipos de interfaces físicos. De hecho, la especificación de PROFIBUS está basada principalmente en estándares ya existentes. Pero, con el fin de satisfacer los requerimientos de varias áreas de aplicación (automatización de procesos de fabricación, edificios inteligentes, etc) se especificó la interfase física del estándar EIA RS-485. Figura Nº 12.

Los niveles 1 y 2 se encargan de asegurar la correcta transmisión de los datos, independientemente de su significado. Las características más importantes de estas dos capas, según la norma, son:

Velocidades de transmisión: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5 y 500 KBaudios.

1

2

3

4

6

7

8

Pantalla

Data +

+5v DC/DC

Data -


Cableado: par trenzado apantallado de acuerdo con el estándar Americano EIA RS-485 (ISO DP 8482). Ambos extremos del cable deben incorporar resistencias terminales de bus. Los cables se conectan a los dispositivos por medio de conectores sub-D de 9 pines.

Número máximo de estaciones: 127 (32 sin utilizar repetidores).

Distancias máximas alcanzables con cable de 0.22 mm. de diámetro:

- Hasta 93.75 KBaudios: 1200 metros.

- 187.5 KBaudios: 600 metros.- 500 KBaudios: 200 metros.

Las estaciones pueden ser activas (maestros) o pasivas (esclavos).

Medio de acceso: híbrido

- Maestro-Esclavo.

- Pase de testigo entre las estaciones maestras.

Acceso al medio determinístico, asegurándose así los tiempos de respuesta.

Comunicaciones por medio de conexiones de tipo bidireccionales, multicast o broadcast.

Servicios:

- Con o sin reconocimiento.

- Cíclicos o acíclicos.

Nivel Físico.

La transmisión de datos se realiza de manera simétrica de acuerdo con el estándar Americano RS-485. Las versiones más simples utilizan únicamente par trenzado apantallado, puesto que:

Permite operar en ambientes con EMI a elevadas velocidades de transmisión.

Su instalación es sencilla y su coste bajo.

Si no se esperan fuertes interferencias electromagnéticas (EMI), puede emplearse par trenzado sin apantallamiento.

A diferencia del extendido estándar RS-232 (V.24), en el que se utilizan niveles absolutos de tensión para reconocer la información digital, en la transmisión RS-485 la información se reconoce por la polaridad de la tensión recibida. De este modo, es posible emplear velocidades de transmisión muy elevadas (hasta 10 Mbit/s) en ambientes con interferencias electromagnéticas.

La conexión de los equipos al bus se realizará por medio de un conector sub-D Figura Nº 13, de 9 pines con la siguiente asignación:

Figura No. 14. Códigos NRZ y RTZ.


La codificación utilizada para los bits de información es la NRZ (Non-Return-to-Zero), muy utilizada en tecnologías digitales. Cada bit consiste de un pulso rectangular, cuyo ancho coincide con el periodo de reloj utilizado.

Una tensión no nula identifica al '1' lógico, mientras que una tensión nula identifica al '0' lógico. En la codificación RTZ (Return-To-Zero), el '1' lógico no se identifica por el nivel de tensión, sino por el flanco negativo que aparece a mitad de periodo. Por ello, en este código, el ancho de pulso es la mitad del periodo del reloj. Figura Nº 14.

En PROFIBUS se utiliza una técnica de transmisión asíncrona, en la que los relojes del emisor y receptor no están sincronizados, y la transmisión está orientada a caracteres.

Cada carácter consiste de un total de 11 bits:

1 bit de comienzo ('Start bit', ST) que es siempre un ´0' lógico. 1 bit de parada ('Stop bit', SP) que es siempre un '1' lógico. 1 bit de paridad ('Parity bit´, P). 8 bits de datos (20 ... 27 ).

Para asegurar la correcta recepción de los datos, los bits transmitidos deben ser muestreados en la mitad del periodo de duración del bit después de su comienzo. Esto requiere que el reloj del receptor duplique como mínimo el del transmisor. El estándar PROFIBUS permite desviaciones en las frecuencias de los relojes menores del 0.3%.

Entre dos mensajes transmitidos debe esperarse un tiempo definido en la norma como Idle Time. Este tiempo se caracteriza por la presencia de un '1' lógico en el bus. Su duración mínima ha de ser la equivalente al envío de tres caracteres.La utilización de un Idle Time presenta dos ventajas importantes:


1.- Las estaciones pasivas activarán sus receptores sólo cuando haya transcurrido este tiempo de espera. Tras él, chequearán la dirección de destino del siguiente mensaje y desconectarán el receptor si no va dirigido a ellas. Este mecanismo de escucha “selectiva” reduce la carga del protocolo, de modo que se libera mayor capacidad de procesado para el programa de aplicación de dichas estaciones.

2.- Las estaciones que acaban de transmitir pueden deshabilitar su transmisor durante este tiempo de espera. Tras la desconexión, la resistencia terminadora de bus se encarga de mantener éste en el '1' lógico.

En el futuro se planea utilizar el estándar PROFIBUS en instalaciones con alto riesgo de explosión. No obstante, las especificaciones necesarias todavía no han sido realizadas. También será ventajoso utilizar otras técnicas de transmisión, como la fibra óptica, que permitirán alcanzar mayores distancias y utilizar otras topologías. En esta área, existen ya realizaciones comerciales [como la red SINEC L2FO ('Fiber Optics') de SIEMENS].

Nivel de Enlace.

En la terminología PROFIBUS, al nivel 2 se la conoce como nivel FDL (Fieldbus Data Link), nivel de enlace.

Aunque la unidad mínima de información en PROFIBUS es el caracter, el protocolo utilizado esta orientado a paquetes de información (mensajes). Estos mensajes consisten en una cadena ordenada de caracteres enviados de acuerdo con las especificaciones de la capa física.

Para desarrollar los servicios de transferencia de datos, es preciso definir unos formatos de mensaje estandarizados en los que, además de buscar la máxima eficiencia en la codificación, se asegura una transmisión de datos fiable. Por esta razón, se incluye en los mensajes información redundante que inevitablemente aumenta la carga de protocolo.

En PROFIBUS no se utiliza la corrección de errores. Cuando se detecta un error en un mensaje, se descarta el mismo y se repite la transmisión. Según se comentó anteriormente, en PROFIBUS existen dos tipos de estaciones: activos y pasivos.

Las estaciones activas (maestros) pueden:

Enviar por iniciativa propia datos a otras estaciones. Solicitar datos de otras estaciones.

Las estaciones pasivas (esclavos):

NO pueden intercambiar datos excepto en el caso de que una estación activa les autorice a ello.

La característica activo/pasivo de una estación depende del equipo considerado. En general, los elementos de campo simples (estaciones de mando de motores, sensores, etc). serán pasivos, mientras que los equipos "inteligentes" (autómatas programables, máquinas herramientas con control numérico, etc) serán activos. También es posible que una misma estación se pueda configurar como activa o pasiva en el bus. Para evitar que todas las estaciones activas accedan al


mismo tiempo al bus, toda estación que desee enviar una información debe esperar hasta que se reciba una autorización de acceso al bus. Dicha estación recibe la autorización en forma de un telegrama especial, el "testigo" (token):

El testigo pasa automáticamente de una estación activa a la siguiente, siguiendo el orden de direcciones de las estaciones.

La transmisión del testigo se efectúa según un anillo lógico, es decir, la estación activa presente cuya dirección sea la más elevada reenvía el testigo a la estación activa presente cuya dirección sea la más baja.

Cada estación activa "conoce" las direcciones de las restantes estaciones activas y controla de manera cíclica el campo de direcciones entre ella y la estación activa presente que le sigue. Durante este control se detecta:

- El añadido de una estación activa o pasiva, o- La supresión de una estación pasiva.

Si se detecta que se ha añadido una nueva estación activa, ésta última recibe inmediatamente el testigo.

TEMA 4: INTEGRACIÓN DE SISTEMAS EN AUTOMATIZACIÓN.Conceptos básicos. Características de los sistemas integrados. Ventajas y desventajas. Normativas.

INTEGRACIÓN DE SISTEMAS DE GESTIÓN EMPRESARIAL

Para la década de los años 90, comienza en Venezuela a difundirse el concepto de integración de los sistemas de información, como el paso siguiente en los procedimientos de automatización de las industrias y sus procesos de producción con los procesos de gestión de la empresa. Esta integración constituye un factor importante para el éxito de la empresa en el futuro inmediato. La forma tradicional de hacer negocios no es suficiente en la actualidad, y se hace necesario implementar nuevas estrategias que combinen una producción con mejor calidad, la reducción de los tiempos de entrega y el mejoramiento de las operaciones y gestión del negocio, para mantenerse competitivos en el mercado.

Para llevar a cabo un proyecto de Integración es importante contar con la tecnología apropiada y la voluntad de toda la empresa para realizarlo. La Sociedad Internacional para la Medición y Control (ISA) ha desarrollado dos estándares, el S.88 y el S.95 para facilitar los procedimientos en esta área de la ingeniería. El desarrollo de proyectos de integración de los sistemas automatizados de producción y los sistemas de gestión empresarial basados en las recomendaciones de la ISA, estándar S95, como parte de los procedimientos de desarrollo de proyectos de ingeniería. Se procede al planteamiento de una serie de formatos a utilizar, para el desarrollo de proyectos de integración del control de producción y algunos módulos funcionales de los sistemas de gestión de la empresa.

Reingeniería de Procesos Empresariales.

La reingeniería es la reconsideración fundamental y el diseño de los procesos empresariales para lograr grandes mejoras en las medidas de desempeño

Obj

etiv

os e

n C

osto

s de

Prod

ucci

ón

FINANZAS(FI)

PLANIFICACIÓN DELA PRODUCCIÓN

(P P)

GESTIÓN DE MATERIALES

(M M)

GESTIÓN DE SISTEMAS DE PROYECTOS (PS)

LOGISTICA GENERAL(LO)

GESTIÓN DE CALIDAD(QM)

MANTENIMIENTO Y SERVICIO (PM)

PRODUCCIÓN

Módulo a implementar actualmente

PRODUCCIÓNPLANTA

ELABORACIÓN

Req

uerim

ient

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Man

teni

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nto

Res

pues

t a d

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Prev

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Capacidad de producción

Planificación

Requerimientos de Materiales

Suministro de Materiales

Prod

ucci

ón

Módulos a implementar a futuro

Módulos implementados

Figura No. 15. Diagrama de Flujo de Información


importantes contemporáneas como: costos, calidad, servicio y rapidez. El modelado y la simulación del proceso constituyen una herramienta importante para el desarrollo de una reingeniería. Para esto es necesario establecer el estado o nivel de automatización del sistema al cual va a ser aplicada. En base a un modelo piramidal, se puede establecer en que nivel se encuentran los procesos empresariales, para analizarlos y luego proceder a mejorarlos.

Para lograr una mejor condición en el procedimiento de integración de los procesos es recomendable que los procesos se encuentren en el nivel superior o tope de la pirámide, de manera que al estar modelados se puedan simular y someter a los cambios correspondientes a la reingeniería y observar los resultados de estos procedimientos antes de realizar los cambios en los procesos físicos.

Luego de determinar los niveles de automatización se procede a iniciar el desarrollo del proyecto de integración.

Los Diagramas de Flujo de Información (DFI), se desarrollan siguiendo la

recomendación ISA S95. Uno de estos diagramas, para un caso particular considerado, es el mostrado en la Figura Nº 15.

TEMA 5: PROYECTOS DE AUTOMATIZACIÓN.Fases de un proyecto de automatización. Planos y documentos de ingeniería. Especificaciones de equipos.

El desarrollo de un proyecto de ingeniería comprende diferentes fases desde que se concibe la idea hasta su puesta en marcha o arranque, pasando por todas sus etapas intermedias. Todo proyecto de ingeniería tiene fines ligados a la obtención de un producto, proceso o servicio que es necesario generar a través de diversas actividades. Algunas de estas actividades pueden agruparse en fases porque globalmente contribuyen a obtener un producto intermedio, necesario para continuar hacia el producto final y facilitar la gestión del proyecto.

Sin embargo, la forma de agrupar las actividades, los objetivos de cada fase, los tipos de productos intermedios que se generan, etc. puede ser muy diferente dependiendo del tipo de producto o proceso a generar y de las tecnologías empleadas.


En este tema se expondrá en forma general criterios, metodologías, documentos y herramientas que se llevan a cabo dentro de las diferentes fases de un proyecto, así como las actividades adicionales que deben ser realizadas en el área de instrumentación, control y automatización, en el desarrollo de un proyecto de ingeniería.

Todas las actividades y documentos descritos a continuación y en todo el desarrollo de este trabajo no abarcan proyectos que comprenden sistemas de detección, alarma y extinción de incendio.

DIAGRAMA ESTRUCTURAL DE UN PROYECTO.

El siguiente gráfico muestra cómo debe estar estructurado un proyecto de ingeniería, así como la secuencia que debe existir entre las etapas que lo conforman.

Fig. 3.1 Diagrama Estructural de un Proyecto de Ingeniería.

CONCEPCIÓN DE UN PROYECTO (IDEA).

Todo proyecto que parte de una necesidad, un problema a resolver o que simplemente se ambiciona una mejora o actualización de procesos y tecnologías, nace en la mente como una idea. Dicha idea debe ser bien analizada antes de ser formada como un proyecto. El análisis consiste en realizar un estudio de la idea con el propósito de determinar la factibilidad de la ejecución técnica y económica.

Se puede decir entonces que el análisis de la idea representa un paso fundamental en la propuesta de un proyecto.

PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN Y DISEÑO (I&D).

Son los proyectos que comprenden, como su nombre bien lo indica, todos aquellos proyectos que involucran la realización de algo nuevo, nunca antes hecho, y que por lo tanto requiere mucha investigación, donde normalmente el resultado puede ser: una nueva teoría, resultados de una investigación científica, un objeto o aparato nuevo, un avance tecnológico, etc.

ESTUDIO DEFACTIBILIDAD

IDEA

I & D

ARRANQUE Y PUESTA ENMARCHA

ING. CONCEPTUAL

ING: DETALLE CONSTRUCCIÓN

ING. BÁSICA


Los proyectos de investigación y diseño pueden derivarse en dos tipos, como a continuación se muestra:

La investigación básica; donde el resultado esperado son conocimientos científicos. No existe ninguna fase de construcción pero sí existen fases que recojan las tareas de experimentación.

La investigación aplicada; en el que el resultado esperado suele ser alguna tecnología aplicable para procesos o para productos. Dependiendo del grado de cercanía a la aplicación que llegue a alcanzarse el modelo puede ser básicamente como el anterior o incluir una fase de aplicación piloto.

En el desarrollo de productos o procesos nuevos o significativamente modificados sí aparece ya una fase de construcción, aunque normalmente se tratará de la realización de un prototipo. Normalmente el cliente no será el usuario final, sino los departamentos de ingeniería de producción de la propia empresa o de otra que contrata el desarrollo.

Los proyectos de investigación y diseño son costosos, por depender de

personal muy calificado y por requerir de una constante revisión en cada etapa, que incide en la prolongación del proyecto.

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD

El estudio de factibilidad es también conocido como estudio de viabilidad. Consiste en realizar de manera detallada el análisis de los costos y beneficios de un proyecto a un plazo de tiempo específico. De este estudio nace una serie de requisitos o necesidades para la realización del proyecto y en el cual se debe vigilar que tales requisitos sean alcanzables.

En esta etapa se formalizan los distintos acuerdos que se ameriten, así como una planificación detallada de actividades. Es muy importante, en esta fase, el análisis de las necesidades para la ejecución del proyecto y verificar que realmente es posible cubrirlas.

Durante este estudio de factibilidad se debe llevar a cabo el estimado de costo clase V. Este estimado es para fines de pre-planificación, y se realiza teniendo en cuenta principalmente el tamaño y ubicación de la planta, el tipo de producto y de suministro. Este estimado sirve para tener una idea de las posibilidades de llevar a cabo el proyecto.

Memoria Descriptiva.

En la memoria descriptiva se explica en forma resumida pero clara la función del proyecto y la causa principal por el cual se realiza. Se debe presentar una descripción de la ubicación y situación del equipo, planta, sistema, etc., donde se va a realizar el proyecto. Asimismo requiere indicar las futuras acciones a tomar y las situaciones que éstas originan, qué procesos se realizarán, bienes y servicios a utilizar, y la capacidad de trabajo requerido.


Debe incluirse la ubicación geográfica de la obra, en la localidad donde será construida, es decir, región, estado, ciudad, etc. Deben presentarse los apéndices de los planos del proyecto, tales como el Diagrama de Flujo Simplificado, y cualquier otro que se considere pertinente a fin de explicar el proyecto.

En este documento se redacta en forma sencilla y clara una recopilación de lo desarrollado con respecto a la idea o proyecto y se lleva a cabo un estimado de costo clase IV, antes de ser aprobado y comenzar a desarrollar la Ingeniería Conceptual. El estimado de costo clase IV es explicado a continuación:

Estimado de costo clase IV: Este estimado representa los costos desglosados de labor, material y contingencia. Se realiza antes de culminar las bases de diseño.

INGENIERÍA CONCEPTUAL.

Es la etapa del proyecto en el que se establecen en un grado de detalle menor, todas las especialidades involucradas en el proyecto, la secuencia de actividades, las horas – hombre necesarias en cada especialidad, las fechas de terminación de cada actividad, entre otras. También se coordinan los reportes de control del proyecto, así como las estimaciones de costo.

La ingeniería conceptual representa el período de recolección de información necesaria para la realización del proyecto.

Se pueden plantear varias alternativas u opciones de desarrollo del proyecto, estudiando y analizando las ventajas y desventajas de cada una de ellas y con un estudio costo - beneficio de cada una si es necesario. En esta etapa se define concretamente la mejor manera para el desarrollo del proyecto y se elabora un estimado de costo clase III.

En general, la ingeniería conceptual requiere desarrollar los siguientes documentos:

Diseño básico de procesos. Análisis y justificación. Diagrama de ubicación de la planta. Diagramas simplificados de flujo de procesos. Definición de criterios de diseño para cada disciplina involucrada en el

proyecto. Requerimientos aproximados de servicios industriales. Capacidades y dimensiones preliminares de equipos. Especificaciones técnicas de equipos mayores o de largo tiempo de entrega.

Al finalizar esta etapa de ingeniería se debe elaborar un informe final de ingeniería conceptual, describiendo los puntos anteriores. Este informe debe ser aprobado por los lideres de cada disciplina y el gerente del proyecto para luego pasar al desarrollo de la ingeniería básica.

INGENIERÍA BÁSICA.

La ingeniería básica define los lineamientos generales e ideas básicas del proyecto. Estas ideas y definiciones del proyecto son los criterios en que se basará la ingeniería de detalle, para la ejecución de los planos constructivos. La ingeniería básica define los aspectos esenciales de la obra, y está formada por el


esquema unifilar, los esquemas lógicos principales, las plantas y cortes básicos, los criterios de diseño a aplicar, las especificaciones básicas, etc.

Es difícil fijar un claro límite entre esta ingeniería básica y la ejecutiva de detalle, pero debe recordarse que la ingeniería de detalle es finalmente la que proyecta las soluciones que se construyen.

En esta etapa del desarrollo del proyecto se deben determinar los factores que influyen en el proyecto ejecutivo, y que permitirán desarrollarlo sin pérdidas de tiempo.

La ingeniería básica es desarrollada por un grupo pequeño de ingenieros (en comparación con la ingeniería de detalle que requiere mas personas dedicadas), que elaboran planos, especificaciones técnicas, y la documentación de licitación si ésta corresponde.

La ingeniería básica no es constructiva, con los planos disponibles en esta etapa no se pueden construir ni montar los equipos. Esta documentación es suficiente para evaluar la obra y los trabajos de montaje, con suficiente aproximación para lograr una cotización válida o muy cercana a los costos estimados de implementación del proyecto. Este aspecto se denomina estimado de costo clase II, que más adelante se explicará en detalle.

En la etapa de la ingeniería básica se definen los objetivos que se buscarán alcanzar en el proyecto, es decir: Confiabilidad; ligada a equipos y tecnología que garanticen un servicio largo y

precisamente confiable.

Seguridad; la disposición física, y el diseño eléctrico deben proveer la máxima seguridad para el personal de operación y para el servicio público.

Flexibilidad; que permite enfrentar las condiciones de emergencia, las que exigen una operación que aproveche al máximo la capacidad de los equipos.

Simplicidad; que brinde máxima protección, facilite los ensayos y requiera mínima instrucción.

Normalización (Estandarización); haciendo máximo uso de equipos y construcciones intercambiables para minimizar repuestos y simplificar el mantenimiento.

Algunos de estos objetivos son contrapuestos. Para cada uno, el límite depende de lo que se desea alcanzar en los restantes.

En la disposición de la solución constructiva se debe también considerar el acceso para mantenimiento, ampliaciones, y todo esto sin sacrificar las restantes cualidades.

EN GENERAL LA INGENIERÍA BÁSICA DEFINE PARA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL LOS SIGUIENTES DOCUMENTOS:

Especificación General de Instrumentación. Lista preliminar de instrumentos y equipos. Hoja de especificaciones de instrumentos y equipos. Diagramas de flujo del proceso. Diagramas de tuberías e instrumentos.


Diagramas lógicos de control. Diagramas esquemáticos de control. Especificación y disposición de paneles de control.

En el área de proceso, mecánica y electricidad durante la fase de ingeniería básica se definen los siguientes documentos:

Proceso: Localización de la planta. Descripción del proceso. Hojas de datos de equipos. Balance de masa y energía. Ingeniería mecánica de equipos. Diagramas de flujos de proceso.

Mecánica: Especificaciones generales de equipos. Análisis de ofertas técnicas. Revisión de cálculos de proveedor. Diagramas de lubricación. Requisición de equipos críticos.

Electricidad: Fuente de potencia. Diseño de sistema de potencia. Estudio de carga mayores. Diagrama unifilar principal. Plano de clasificación de área. Disposición de conduits. Diagramas esquemáticos de motores y cableado.

Todos estos productos deben realizarse considerando la disciplina o área que corresponda; es decir, cada ingeniero en su respectiva área hace su aporte al mismo si es multidisciplinario, o lo desarrolla completamente. Las áreas mencionadas anteriormente juegan un papel importante ya que de algún modo influyen en el desarrollo de los productos de instrumentación y control.

INGENIERIA DE DETALLE.

Una vez terminada y aprobada la ingeniería básica, luego de las respectivas revisiones que garantizan su buena pro, se comienza el desarrollo detallado del proyecto, que corresponde a la ingeniería de detalle.

El trabajo en la ingeniería de detalle consiste en convertir la información de la ingeniería básica en el diseño detallado de la obra, de manera de que se pueda comprar y/o construir los elementos constitutivos, y puedan ser montados en forma lógica cumpliendo los requerimientos técnicos y de seguridad de la instalación.

Integran la ingeniería de detalle: planos, planillas, croquis, memorias de cálculo, detalles de instalación, especificaciones técnicas, en forma y con alcance tal que permitan realizar a un tercero (el contratista) todos los trabajos detallados.


El proyecto constructivo de las instalaciones es en distintas disciplinas: instrumentación, electricidad, arquitectura, obras civiles, etc.

La ingeniería de detalle se fundamenta en la ingeniería básica, tomando los lineamientos indicados, y desarrollando planos constructivos. La nueva variable es la definición y documentación precisa de los equipos a montar, es decir se debe contar con planos que reflejen los equipos adquiridos (se debería contar con los planos conforme a fabricación de los equipos).

A partir de esta información se desarrolla la ingeniería de detalle, reelaborando todos los planos definidos con precisión:

- Esquemas funcionales de comando. - Disposición de equipos. - Ubicación física de la obra en relación con otras obras exteriores. - Dimensiones del edificio de instalación.- Especificaciones técnicas de construcción, provisión y montaje.

LOS DOCUMENTOS QUE SE EMITEN EN LA INGENIERÍA DE DETALLE PARA LA DISCIPLINA DE INSTRUMENTACION Y CONTROL SON:

Especificaciones de instrumentos (si es necesario). Memorias de cálculo de instrumentos y equipos de control. Lista definitiva de instrumentos. Actualización de los diagramas de tuberías e instrumento. Diagramas de lazos de control. Lista de cables de instrumentos. Lista de conduits de instrumentos. Planos de ubicación de instrumentos. Planos de alimentación de aire a instrumentos. Planos de rutas de señales y cables de instrumentación. Detalle de instalación de instrumentos. Planos y diagramas de lógica de control (cuando aplique). Listas de materiales. Guía de operación y mantenimiento de sistemas y/o equipos. Evaluación Técnica - Económica del proyecto. Especificaciones de construcción y descripción de partidas Eventual pliego de licitación.

CONSTRUCCIÓN.La fase de construcción comprende la aprobación del presupuesto para la

realización del proyecto y la apertura del proceso de contrataciones. Dicho proceso consta básicamente de los siguientes pasos: Proceso de selección. Proceso de licitación. Recepción y análisis de ofertas. Sometimiento de las ofertas a la comisión de contratación. Comunicación de adjudicación del contrato. Elaboración del contrato. Firma del contrato.


Luego de este proceso, asumiendo que ya han sido adjudicados todos los contratos de construcción, suministros, servicios, etc., se comienza la construcción de la obra y entra a actuar un nuevo proceso que es: Coordinación, planificación y control en la construcción, el cual comprende la continua planificación y supervisión en procura de asegurar la ejecución efectiva de proyectos individuales así como proporcionar la información necesaria al equipo gerencial encargada en la asignación del recurso humano.

La planificación tiene como objetivo: Definir todo el trabajo necesario que contempla el proyecto. Eliminar o reducir la incertidumbre. Incrementar la eficiencia de los procesos. Asegurar una mejor comprensión de los objetivos del proyecto. Proporcionar una base para la supervisión y control.

El proceso de coordinación estará documentado durante la construcción del proyecto a través de los distintos reportes técnicos en el área de instrumentación y control y en todas las demás áreas o disciplinas, los cuales se denominan comúnmente Reportes de Control de Proyectos.

Finalizada la obra, el siguiente proceso es de aceptación de los trabajos, en el cual se realizan, entre otras: Pruebas a instalaciones y equipos, verificación de que todos los trabajos menores hayan sido completados, etc. Este proceso debe estar refrendado por la firma de las partes involucradas en un documento de aceptación de los trabajos. Las partes involucradas son generalmente el contratista que está realizando la instalación de equipos y sistemas del proyecto y el contratante o jefe de la empresa responsable del proyecto, quien supervisa y acepta las partes del proyecto ejecutadas.

El proceso de construcción del proyecto debe realizarse en el período estimado para el mismo.

ARRANQUE Y PUESTA EN MARCHA.

Éste consiste en la entrega de la planta o sistema al propietario, y la puesta en marcha de la misma. Debe comprobarse que se ha cumplido con lo pautado en el diseño, verificando además su óptimo funcionamiento.

El proyectista debe establecer las condiciones en las cuales debe ser operado el sistema (tratándose de un sistema, planta o máquina), por quién debe ser operado, así como definir un plan de mantenimiento preventivo de los equipos, áreas, etc., que conforman la obra.

Durante la etapa final de construcción se elaboran y discuten programas e instructivos detallados de arranque, los cuales serán aplicados durante el proceso de entrega del proyecto.

Dichos programas deben contener: Descripción de actividades, incluyendo fecha de inicio, culminación y los

responsables de la ejecución.


Planificación y programación de las pruebas operacionales y entrega parcial de equipo.

Preparación de la secuencia de arranque-parada de las instalaciones y los equipos principales.

El representante de cada disciplina debe verificar la operación de los equipos que le correspondan durante la etapa de arranque y puesta en marcha.

TEMA 6: Fundamentos de los Controladores de Lógica programable.Reseña histórica de los PLC. Conceptos básicos. Sistemas numéricos y códigos. Compuertas lógicas.

Introducción

Los controladores lógicos programables, referidos de ahora en adelante por sus siglas en inglés PLC (Programmable Logic Controllers), son equipos electrónicos robustos de lógica secuencial capaces de controlar máquinas y procesos industriales, que se componen de entradas y salidas, módulos de comunicación, un procesador central y memoria programable. Otras definiciones importantes de los PLC han sido planteadas por organismos internacionales, a continuación se presentan tres que según el criterio de este autor son importantes:

Según Allen-Bradley: “es un sistema de control de estado sólido que posee una memoria programable por el usuario que lee condiciones de entradas y fija condiciones de salida para controlar una máquina o proceso”.

Según la norma IEC 611131-1 (segunda edición año 2003) se define como PLC:“un sistema electrónico de operación digital, diseñado para utilizarse en un entorno industrial, que utiliza una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones de usuarios para la implementación de funciones específicas como lógicas, secuencias, temporizado, conteo y funciones aritméticas, para controlar, a través de entradas y salidas digitales o analógicas, varios tipos de máquinas o procesos. Tanto los PLC como sus periféricos se diseñan de tal manera que puedan ser integrados fácilmente a un sistema de control industrial y que puedan ser fácilmente utilizados en todas su funcionalidad.”

Estos dispositivos, también conocidos como autómatas programables, han adquirido gran popularidad en el sector industrial para realizar las funciones de control automático de procesos, hasta el punto en que es dificil encontrar hoy en día una industria, por pequeña que sea, que no posea un PLC en algunas de sus instalaciones.

Reseña histórica de los PLC.


Los primeros PLC se crearon en 1960 por la empresa Bedford Associates, ante la inquietud de un fabricante de automóviles norteamericano para sustituir sus sistemas de control basados en relés que operaban sus procesos de producción y que eran complejos y costosos. En esta fecha mucha empresas propusieron diversas configuraciones de sistemas alternativos entre las que destacaron las propuestas basadas en computadores (como por ejemplo el basado en la PDP-8) y la propuesta de Bedford Associates que consistió en dispositivo denominado Controlador Digital Modular (MODICON – por sus siglas en inglés “Modular Digital Controller”) que terminó por inponerse entre las demás.

El primer gran problema con los sistemas de control basados en relés radicaba en que cuando los requerimientos de producción cambiaban también lo hacía la lógica cableada de relés, esto acarreaba grandes costos, en especial, si los requerimientos cambiaban frecuentemente como sucede en las líneas de producción de automóviles. El segundo gran problema es que los relés son dispositivos electro-mecánicos con un tiempo de vida limitado, lo que implica esquemas de mantenimiento estrictos. Otros problemas de importancia que presentaban los sistemas de control basados en PLC son:

Los tiempos para la solución de problemas eran largos debido a lo grande y complejo de los sistemas basados en lógicas cableadas de relés.

Tiempos largos de instalación debido a la cantidad de componentes involucrados y el cableado de los mismos.

En contraste a estos sistemas los nuevos controladores ofrecían facilidad de programación y mantenimiento, las modificaciones realizadas a la lógica de control se realizaban por software, y poseían tiempos de vida largos gracias a la tecnología de estado sólido que no implica el uso de partes móviles.

A mediados de los 70 la tecnología dominante en los PLC eran sistemas basados en CPU. Los microprocesadores 2901 y 2903 de AMD fueron muy populares en los PLC Modicon y AllenBradley. En esta época surgen nuevos problemas relacionados con la comunicación entre las diferentes tecnologías de PLC que proliferaban. A partir de esta problemética surgen los primeros protocolos de comunicación entre los PLC, el primero de los cuales fue el Modbus de Modicon que aún hoy es de los más utilizados. Esto hizo posible que los PLC controlaran sistemas remotos y se comunicaran entre sí y entre otros sistemas de control industrial. Sin embargo, la falta de estándares industriales que reglamentaran estos sistemas de comunicación creaba serios problemas de comunicaciones.

Durante el inicio partir de los años 80 se realizaron grandes esfuerzos por estandarizar los sistemas de comunicaciones y las arquitecturas de los PLC. Aún hoy con la existencias de estándares como IEC 61131, que reglamentan las funciones y características de los sistemas basados en PLC tanto a nivel de hardware como a nivel de software, existen algunos problemas de compatibilidad entre estos sistemas.

Las nuevas tendencias de control están utilizando sistemas de computadores y lenguajes como el C, quizás esto sea un precedente para la desaparición de los PLC así como sucedió con sus predecesores, los relés y su sustición por sistemas especiales basados en computadoras.

CONCEPTOS BÁSICOS

Sistema de controlador lógico programable


Es un sistema de control compuesto por un PLC y periféricos asociados necesarios para automatizar un proceso. Estos equipos se conectan por cables en instalaciones de carácter permanente. Algunos de estos periféricos pueden ser portátiles, tal es el caso de programadores portátiles y computadoras portátiles entre otros.

Unidad Central de Procesamiento CPU

La Unidad Central de Procesamiento ó CPU (por sus siglas en inglés Central Processing Unit) son microprocesadores especiales dentro de un sistema de operación digital. Su función primordial es controlar al sistema digital mediante el manejo de los recursos del sistema y la ejecución los programas de aplicaciones. Los PLC poseen al menos un CPU, al igual que la mayoría de los sistemas digitales; las características de control de los PLC dependen en gran medida del CPU que lo controla.

Microprocesador

Es un circuito integrado (de muy gran escala de integración VLSI) de lógica secuencial que posee un conjunto de instrucciones y unidades internas que le permiten ejecutar programas escritos en lenguajes de programación especiales.

Memoria

Son los dispositivos que permiten almacenar la información manejada por el CPU de un sistema electrónico. Existen diferentes tipos de memoria clasificadas principalmente dependiendo de la manera como almacenan la información. Entre las diferentes memorias están las memorias semiconductoras, memorias magnéticas, memorias ópticas y otros tipos de memorias.

Dispositivos periféricos ó de Entrada y Salida

Los periféricos o dispositivos de entrada y salida son todos aquellos dispositivos de un sistema controlado por un microprocesador que permiten comunicar al microprocesador con otros equipos externos al sistema electrónico. Por ejemplo, en el caso de los PLC los módulos discretos y analógicos son los dispositivos periféricos utilizados por el PLC para controlar relevadores, interruptores e instrumentos electrónicos.

Dispositivo de campo

Son todos los dispositivos que permitan realizar acciones de control y/o supervisión. El PLC permite actuar sobre estos dispositivos para controlar al proceso o sistema objeto de control. A los dispositivos que realizan medidas se les denomina instrumentos mientras que a los dispositivos utilizados para controlar al proceso se les denomina dispositivos finales de control.

Lenguaje de programación

Son lenguajes especiales que permiten realizar programas para un microprocesador particular. Los lenguajes de programación se componen de palabras reservadas y por reglas de sintaxis. Las palabras reservadas son las acciones básicas que puede realizar el lenguaje, mientras que las reglas de sintaxis son las que indican como escribir el programa.


Existen algunos lenguajes de programación que no tiene palabras sino que son gráficos, este es el caso de los Diagramas Escalera de los PLC.

Sistemas numéricos

Los sistemas numéricos permiten representar las cantidades físicas mediante símbolos. El sistema más común utilizado por el hombre es el decimal, sin embargo esto no es cierto para los sistemas digitales como los PLC.

Los sistemas digitales manejan mayoritariamente un sistema numérica denominado sistema binario. También utilizan otros sistemas para representar las cantidades como los sistemas decimales, BCD, octales y hexadecimales. A continuación se presenta en una tabla el sistema decimal y la manera como se representan las mismas cantidades en los sistemas binarios, BCD, octales y hexadecimales.

Tabla 1. Sistemas de numeración comunesDecimal Binario BCD Octal Hexadecimal

0 0000 0000 0 01 0001 0001 1 12 0010 0010 2 23 0011 0011 3 34 0100 0100 4 45 0101 0101 5 56 0110 0110 6 67 0111 0111 7 78 1000 1000 - 89 1001 1001 - 9

10 1010 - - A11 1011 - - B12 1100 - - C13 1101 - - D14 1110 - - E15 1111 - - F

En todos estos sistemas se pueden representar las mismas cantidades, lo que cambia es la representación. Es importante manejar estos sistemas ya que la mayoría de los PLC modernos utilizan varios de estos sistemas para representar sus datos. En seguida se muestra un ejemplo en el que se ilustran las notaciones equivalentes para un valor decimal determinado.

2010 (en decimal) = 000101002 (en binario) = 00100000BCD (en BCD) = 24o (en octal) = 14h (en hexadecimal)

Compuertas lógicas

La mayoría de los lenguajes de programación utilizados para el control de procesos requieren del uso de lógicas digitales para crear los programas de control. En ese sentido es importante conocer los rudimentos de la lógica digital. La lógica digital tiene algunas operaciones básicas que normalmente se representa en forma gráfica como compuertas.

Existen cuatro compuertas básicas en la lógica digital sobre las que se basan todas las otras combinaciones lógicas posibles, la compuerta AND, la compuerta


OR, la compuerta NOT y la compuerta XOR. En seguida se muestran la representación gráfica de estas compuertas, su función lógica y la tabla de verdad correspondiente.

Compuerta AND

Símbolo

Función lógica: C=A●BTabla de verdad

B\A 0 10 0 01 0 1

Compuerta OR

Símbolo

Función lógica: C=A+BTabla de verdad

B\A 0 10 0 11 1 1

Compuerta NOT

Símbolo

Función lógica: B=ATabla de verdad

A 0 1B 1 0

Compuerta XOR

Símbolo

Función lógica: C=A BTabla de verdad

B\A 0 10 0 11 1 1

Estas compuertas lógicas básicas permiten construir expresiones muy simples o muy complejas. Como ejemplo, se desea crear una lógica que active un bombillo conectado a la salida ocho (S8) de un PLC si el interruptor uno (I1) esta


activo y si el interruptor dos (I2) está desactivo o si el interruptor tres (I3) está activo. Este problema se resuelve fácilmente utilizando la lógica combinacional. En la siguiente figura se muestra la combinación de compuertas utilizada para resolver este problema.

Solución:

Combinación deCompuertas

Función Lógica Salida=I 1⋅I 2+ I 3

TEMA 7: Estándar IEC – 61131.Normas y lenguajes de programación estandarizados.

Normas y lenguajes de programación estandarizados

- El estándar IEC 61131.

El principal estándar mundial que reglamenta el funcionamiento y características mínimas de un PLC es el estándar europeo IEC 611131. La última versión del estándar es la segunda edición de mayo de 2003 y se compone de 8 cuerpos o partes que se describen brevemente a continuación:

Parte 1. Información general: establece las definiciones generales e identifica las características relevantes para la selección y uso de los PLC y sus periféricos.

Parte 2. Requerimientos de equipos y pruebas: establece los requerimientos y pruebas que deben satisfacer los PLC y sus periféricos.

Parte 3. Lenguajes de programación: define cinco lenguajes de programación para los PLC, sus aplicaciones, reglas sintácticas y semánticas, las instrucciones básicas de programación y los mecanismos y pruebas básicas que pueden utilizar los fabricantes para expandir estos lenguajes.

Parte 4. Guía de usuario: ofrece una guía general del estándar y de selección de PLC para el usuario final.

Parte 5. Comunicaciones: define consideraciones para las comunicaciones entre PLC y otros equipos electrónicos.

Parte 6. Reservado: este cuerpo no existe, está reservado para su uso futuro.

Parte 7. Programación de control por lógica difusa: define el lenguaje de programación para realizar control mediante lógica difusa.

Parte 8. Guía para la implementación y utilización de lenguajes de programación para los controladores lógicos programables: establece guías para la implementación y uso de los lenguajes de programación explicados en la Parte 3 de este estándar.


Normalmente se hace referencia a las distintas partes del estándar colocando el nombre completo del mismo seguido de un guión y del número del cuerpo al que se hace referencia. Por ejemplo suponga que se desea hacer referencia a la tercera parte del estándar entonces se escribiría la siguiente referencia “IEC 61131-3”.

- Lenguajes de programación de los PLC según el estándar IEC-61131-1.

El estándar IEC 61131-3 se encarga de definir todos los conceptos de programación relacionados con los PLC. Estos conceptos van desde la definición simple de los tipos de datos que puede utilizar el PLC, los conceptos básicos de programación, hasta los lenguajes manejados. El estándar define dos lenguajes de programación basados en texto y tres basados en gráficos. En este apartado se describen los cinco (5) tipos de lenguajes de programación y su principio de operación según lo plantea el estándar.

Basados en texto: los lenguajes definidos en esta categoría son el de listado de instrucciones (Instruction List – IL) y el de texto estructurado (Structured Text – ST) según el apartado 3 del estándar IEC 61131.

a. Lenguaje de Listado de Instrucciones IL: en este lenguaje un programa se compone por una secuencia de instrucciones. Cada instrucción inicia en una línea nueva y contiene el código de la operación y uno o más operandos opcionales separados por comas. Los operandos pueden ser de cualquier tipo de dato de los definidos en el apartado 2.2 (que versa sobre los literales) y en el apartado 2.3.3. (que versa de los valores de enumeraciones) ó en el apartado 2.4 (que versa sobre las variables) del estándar IEC 61131-3.

En este lenguaje se admite el uso de etiquetas seguidas de dos puntos (:) útiles especialmente en instrucciones cíclicas y de salto. La ejecución de los programas elaborados con estos lenguajes es de arriba-abajo en orden.

b. Lenguaje de Texto Estructurado ST: los programas elaborados en este lenguaje se componen de expresiones que al ser evaluadas generar un valor resultante correspondiente a uno de los tipos de datos definidos en los apartados 2.3.1 y 2.3.3. del estandar IEC 61131-3. Las expresiones se componen de operandos y operadores.

Un operando es un literal (según lo definido en el apartado 2.2), ó un valor de una enumeración (según lo definido en el apartado 2.3.3) ó una variable (según lo definido en el apartado 2.4). Un operador es un símbolo que permite evaluar una función particular, así como los operadores de otros lenguajes (e.i. operadores aritméticos de lenguaje C: +, -, *, / y %). Finalmente, es de notar que cada expresión en lenguaje de texto estructurado debe terminar en el símbolo punto y coma (;). La ejecución de los programas elaborados con estos lenguajes es de arriba-abajo en órden.

Basados en gráficos: el estándar IEC 61131-3 es su apartado 4 indica que existen tres lenguajes basados en gráficos, el Diagrama Escalera (Ladder Diagram – LD), el Diagrama de Bloques Funcionales (Function Block Diagram – FBD) y el Mapa de Secuencia de Funciones (Sequential Function Chart – SFC).

a. Lenguaje SFC (Secuencial Function Chart):

No es propiamente un lenguaje de programación, sino más bien un lenguaje para organizar gráfica de los programas escritos en otros lenguajes de programación de PLC definidos en el estándar IEC 61131. Este lenguaje permite


dividir el programa en unidades denominadas pasos y en otras denominadas transiciones. Los pasos se interconectan entre sí mediante transiciones. Cada paso contiene un conjunto de acciones, mientras que cada transición contiene condiciones de transición.

Debido a que los elementos de un SFC requieren de almacenamiento interno las únicas unidades de programación que pueden utilizarse son los “Bloques Funcionales”. Adicionalmente, si parte de un programa de PLC está divido en elementos de un SFC, todo el resto del programa también tendrá que ser dividido de igual manera, de lo contrario todo el programa se considerará como una sola unidad de ejecución.El flujo de un programa escrito en este lenguaje sigue el concepto de flujo de actividad que se explica a continuación.

Flujo de actividad: análogo al flujo de control entre los elementos de una organización, ó entre los pasos de un secuenciador electromecánico. Este concepto es el mismo que se maneja en la elaboración de los diagramas de flujo y se utiliza en el lenguaje SFC. El flujo de actividad en un Mapa de secuencia de funciones es desde la parte inferior de un paso, a través de la transición, hasta la parte superior del paso siguiente.

b. Lenguaje de Diagrama Escalera – LD (Ladder Diagrams):

Permite la creación de programas entre rieles de poder con símbolos estandarizados (como contactos, bobinas, bloques de funciones y otros), así como los representados en la lógica cableada de relés. Un programa elaborado en este lenguaje se ejecuta desde el peldaño (“rung” en inglés) superior hasta el inferior y cada peldaño se ejecuta con el concepto de flujo de poder utilizado en la lógica cableada de relés. A continuación se describe esta lógica.

Flujo de poder: es análogo al flujo eléctrico en un sistema basado en dispositivos electro-mecánicos como relés entre una línea y el neutro. El flujo en un diagrama escalera es del riel de poder a la izquierda hasta el riel de poder a la derecha.

c. Lenguaje de Diagrama de Bloques Funcionales – FBD (Function Block Diagram):

En este lenguaje los programas se elaboran utilizando elementos gráficos que representan a funciones o bloques funcionales con entradas del lado izquierdo y salidas del lado derecho; en el mismo, se interconectan las salidas de estos bloques con las entradas de otros para realizar el procesamiento deseado de las señales. Este lenguaje utiliza, en lo posible, la simbología definida en el estándar IEC 60617-12.Los programas elaborados con este lenguaje se ejecutan desde el ó los bloques conectados más a la izquierda de una secuencia de bloques, hasta los conectados más a la izquierda de esa misma secuencia de bloques. Esta ejecución se detalla a continuación con el concepto de flujo de señales.

Flujo de señales: es análoga al flujo de señales entre elementos de un sistema de procesamiento de señales. El flujo de señales en este diagrama será de la salida de una función (ubicada a la derecha de la función ó bloque de función) hasta el lado de entrada de una función (ubicado al lado izquierdo de una función o bloque de función).


A continuación se presenta una tabla en la que se demuestra una breve representación de cada uno de esto diagramas.

Basados en Gráficos Basados en TextoDiagrama de bloques de Funciones Listado de Instrucciones

LD AORN BOR CAND DST E

Diagrama Escalera Texto EstructuradoE:=(A OR NOT B OR C) AND D

Lenguaje de Secuencias

- Funciones básicas de un PLC según el estándar IEC 61131.

Según el apartado 4 del estándar 61131-1 las características funcionales de un PLC son:

A. Funciones del CPU:

Procesa señales obtenidas de sensores y de datos internos según un programa y envían los datos generados del procesamiento a la memoria interna y actuadotes mediante sus salidas.

Funciones de almacenamiento de las aplicaciones de programa y datos: permite el almacenamiento de los programas de aplicación (incluyendo estados iniciales de los datos para condiciones específicas del proceso) y el almacenamiento de los datos de las tablas de imágenes de entrada/salida y datos internos requeridos por la aplicación.

Funciones del sistema operativo: es la responsable del manejo interno de las operaciones de control de configuraciones, diagnóstico, manejo de memoria, manejo de la ejecución de programas, comunicación con periféricos y con sensores y actuadotes, etc.

Finalmente, esta función define tres formas posibles en las que se reiniciará el PLC una vez ocurrido un fallo de poder:


Reinicio frío: reinicia al PLC con estados por defecto de todos sus datos (este reinicio puede ser automático o manual); Reinicio tibio: reinicia al PLC con un conjunto de datos remanentes del funcionamiento anterior y datos de un contexto de programación predefinido (se produce siempre que se pueda detectar a través de una bandera u otro medio que hubo una falla de poder mientras se estaba ejecutando una aplicación); Reinicio caliente: reinicia al PLC con todos los datos de aplicación y de entrada y salida restaurados a los estados antes de la falla (se utiliza únicamente si el PLC puede recuperarse en el tiempo máximo de repuesta aceptado por el proceso suponiendo que no hubiera ocurrido una falla; requiere un reloj de tiempo real alimentado independientemente del PLC para determinar el momento de la falla y el tiempo máximo permito por el proceso).

Funciones de ejecución de aplicación de control: un programa de aplicación se compone de una serie de tareas ejecutadas secuencialmente, sin embargo, el control de la ejecución (de forma periódica o activada por eventos) es responsabilidad de la función del sistema operativo.

Funciones de programación: son todas las funciones básicas de programación que debe contener el PLC.

A continuación se muestra una tabla que resume las funciones de programación más importantes según el apartado 4.2.1 del estándar IEC 61131-1:

Grupo de Funciones Ejemplos típicosDe Control lógico:-Lógicas-Temporizado-Conteo

AND, OR, NOT, XOR, biestablesOn-delay y Off-delayAscendente y/o descendente (de pulsos)

De Señales y procesamiento de datos:-Matemáticas

-Manejo de datos-Procesamiento analógico de datos

Aritmética básica: ADD, SUB, MUL, DIVAritmética extendida: SQRT, fun.. trigonométricasComparación: mayor, menor o igualSelección, movimiento y de formatoPID, integración, filtrado, control fuzzy, etc.

De interfaz:-Entrada/salida-Otros sistemas-HMI-Impresoras-Almacenamiento en memoria

Módulos analógicos y digitales, conversión BCDProtocolos de comunicaciónComandos y desplieguesReportes y mensajesRegistro (logging)

De control de ejecución Ejecución periódica o activada por eventos

De configuración del sistema

Verificación de estado del sistema

B. Funciones de interfaz con sensores y actuadores.

Estas señales permiten:


-Convertir las señales de entrada o datos de equipos a niveles lógicos apropiados.-Convertir las señales de las funciones de programas a niveles apropiados para los actuadores o despliegues.

C. Funciones de comunicación.

Provee interfaces de comunicación con otros sistemas como otros PLC, controladores de robots, computadores, etc. Permite realizar operaciones de verificación de dispositivos, adquisición de datos, reporte de alarmas, control de E/S, programación, transferencia de programas de aplicación, etc. Normalmente esta función se logra mediante protocolos punto a punto por trasmisiones de datos seriales. Hoy en día se realiza a través de diferentes redes de comunicación.

D. Funciones de interfaz hombre-máquina.

Permite la interacción entre el operador, las funciones de procesamiento de señales y el proceso con dos propósitos fundamentales:-Proveer de un mecanismo para la supervisión de proceso.-Proveer de un mecanismo para interactuar con el sistema del PLC y su aplicación, realizando ajustes o tomando desiciones.

E. Funciones de programación, depuración/prueba y documentación.

Estas funciones permiten la elaboración de programas de aplicación (en los diferentes lenguajes soportados por el sistema PLC), la carga de estos programas en el PLC, su monitoreo, prueba y depuración, así como la documentación y almacenamiento de las aplicaciones desarrolladas.

Los programa elaborados deben poderse verificar (a nivel de datos y de consistencia en el uso de las funciones de programación) y desplegar o imprimir el programa realizado.

La función de prueba permitirá la verificación de los estados de las entradas/salidas, la ejecución paso a paso del programa y la simulación de condiciones del proceso mediante forzamientos u otros medios (ver Parte 1 del estándar IEC 61131-1 para obtener más información).

Las funciones de edición tradicionales como copiar, cortar y pegar también deben estar disponibles durante la programación.

Finalmente, esta función permitirá documentar de forma adecuada las aplicaciones desarrolladas (tablas de datos con referencias cruzadas, comentarios y listados de programas) e incluso permitirá describir la configuración del hardware del proyecto.

F. Funciones de fuente de poder.

Es la función que permite aislar al sistema de PLC de sistema de poder principal y realizar la conversión y acondicionamiento requerido de la señal de poder. Puede proveer señales de sincronización de ON/OFF con otros equipos.


A continuación se muestra una figura en la que se resumen las funciones de los PLC.

Estructura funcional básica de un PLC

TEMA 8: Características físicas de los PLC.Características de hardware. CPU, fuente de poder, módulos de entradas y salidas. Módulos de comunicación. Otros módulos.

Características de hardware de los PLC.

Los PLC son computadores industriales y en consecuencia están dotados de todos los componentes básicos de un sistema de computadoras, los principales componentes de un PLC son (ver Ilustración 1):

El CPU (unidad central de procesamiento) La Memoria

La Fuente de Poder

La Batería

Los Módulos de Entrada/Salida: pueden ser discretos y analógicos. Los discretos suelen conmutar sus salidas a través de transistores (transistorizados) o a través de relés y manejan diferentes niveles de tensiones como 120Vac, 240Vac, 12Vdc, 24Vdc y 48Vdc. Los analógicos manejan señales de voltajes y corrientes variantes en el tiempo; estos módulos manejan señales de 4-20mA, ±5Vdc, ±10Vdc, RTD, termocuplas, galgas extensiométricas, etc.


Periféricos: de comunicaciones como radio-modems, programadores portátiles, intefaces hombre máquinas (IHM ó por sus siglas en inglés HMI-Human Machine Interfaces), especiales, etc.

TEMA 9: Memoria de los PLC.Organización de la memoria. Tipos de datos manejados. Codificación de los datos. Relación entre la memoria y las entradas/salidas. Direccionamiento de la memoria y de otros tipos de datos.

Organización de la memoria

La memoria de los PLC permite almacenar datos y programas. En los PLC normalmente la memoria de datos está separada de la memoria de programas e incluso algunos fabricantes dividen la memoria en archivos para hacer más fácil al usuario las operaciones de administración. Sin importar como se maneje la memoria en ella estarán los datos y el programa de control del PLC.

Estas memorias son semiconductoras de acceso aleatorio (RAM), son memorias que requieren de una alimentación continua para mantener sus datos. Cuando los PLC utilizan estas memorias las respaldan los programas y datos con baterías recargables previendo fallas en la alimentación del PLC. Aquellas que no se respaldan es por que son capaces de mantener sus datos sin requerir ningún tipo de alimentación, tal es el caso de las memorias ROM, PROM, EPROM y EEPROM.

La memoria en los sistemas digitales almacenan la información (datos o programas) en función de conjuntos de bits. Un bit puede tener una valor de cero (0) ó de uno (1). Los bits se agrupan en conjuntos de 8bits, 16bits ó 32bits. Al conjunto de 8bits se le llama byte, al conjunto de 16bits se le llama palabra (word) y al conjunto de 32bits se le llama palabra doble (double word). A continuación se muestra una figura con los conjuntos de bits mencionados.

Componentes de un PLC.


Formatos básicos de datos manejados por los sistemas digitales

Es oportuno destacar que la manera como se ordenan los bits en estos formatos es importante. En el caso de la figura anterior los bits, bytes o palabras menos significativas se ordenan a la derecha del formato en cuestión y los más significativos se ordenan hacia la izquierda. No todos los PLC utilizan el orden mostrado en la figura anterior.

Los PLC modernos con arquitectura de 32bits manejan estos tres formatos básicos de datos. Esto quiere decir que cualquier información que se almacene en el PLC se almacena en un bit, en un byte, en una palabra, en una doble palabra.

Tipos de datos manejados

Los datos se almacenan en la memoria en uno de los formatos antes referidos, sin embargo, la manera como se interpretan puede variar bastante. Dependiendo de cómo se interpreten los datos almacenados en la memoria los datos se pueden clasificar en:

Enteros: números enteros con signo almacenados en complemento a dos ó sin signo almacenados en binario simple en una palabra ó una doble palabra.

Decimales: números decimales almacenados en la memoria en formato punto flotante según el estándar IEEE-754.

Caracteres: símbolos alfanuméricos almacenados en un byte con un valor correspondiente al asignado en la tabla de caracteres ASCII.

Cadenas de caracteres: secuencias de símbolos alfanuméricos que se almacenan de varios bytes consecutivos de memorias.

Pueden existir varios otros tipos de datos, incluso es posible en algunos PLC crear nuevos tipos de datos definidos por el usuario (denominados estructuras de datos), pero cualquier dato que pueda existir estará conformado por uno o por una combinación de los tipos básicos antes mencionados.

Codificación de los datos

Los cuatro tipos de datos antes mencionados se codifican de forma estandarizada a nivel mundial. A continuación se mencionan las codificaciones utilizadas para cada tipo.


Enteros: los enteros se pueden almacenar sin signo o con signo. Los enteros sin signo se almacenan en el formato simple mencionado anteriormente, mientras que los enteros con signo se almacenan en complemento a dos.

Códigos de enteros sin signo Códigos de enteros consigno

Decimales: se almacenan en el formato definido por el estándar IEEE-754. Para los PLC de 32bits a esta forma se le denomina formato “punto flotante de precisión simple” y se almacena en la memoria en una palabra doble. En la figura mostrada a continuación se observa la estructura de los datos decimales de precisión simple.

Codificación punto flotante de precisión simple Caracteres y Cadenas de Caracteres: los caracteres se almacenan en código

ASCII. El código ASCII (código americano estándar para el intercambio de la información – American Standard Code for Information Interchange) es un formato de 1byte en el que se utilizan los 7bits menos significativos del byte para asignarle un valor a cada carácter alfanumérico de un conjunto de 128 caracteres diferentes. Por ejemplo, el código ASCII de la letra ‘a’ es igual a 97 y el código ASCII de la letra ‘A’ es 65.

Por otro lado, una cadena de caracteres es un conjunto de caracteres almacenados en la memoria de forma consecutiva como un arreglo de bytes. Por ejemplo, si tenemos la cadena “PT-32” en la memoria se almacenaría primero la ‘P’, después en el siguiente byte se almacenaría el carácter ‘T’, luego el ‘-’, posteriormente el ‘3’ y por último el carácter ‘2’ (ver la siguiente figura). Realmente, lo que se almacena en cada byte es el código ASCII correspondiente al carácter alfanumérico.

Almacenamiento de la cadena de caracteres “PT-32”

Relación entre la memoria y las entradas/salidas


Los PLC de cada fabricante define la manera como maneja su memoria. Uno de los fabricantes más conocido, Allen Bradley, en su familia de controladores PLC-5 hace que su memoria esté dada por tablas fijas de entrada y salida y algunas tablas variables para datos generales. En estos PLC la tablas de imágenes de entrada se almacena en el archivo de datos I1 y la tabla de imágenes de salida se almacenan en el archivo O0.

En los PLC de nueva generación de esta misma marca (los ControlLogix) la memoria se administra más eficientemente. En estos nuevos modelos no existe una tabla de entradas y otra de salidas, en su lugar se crean los datos de entrada o salida en la memoria del PLC según se como se configure el PLC.

Estas dos metodologías para el manejo de la memoria de los PLC también existen en muchos otros fabricantes como Siemens y General Electric. Algunos PLC utilizan tablas fijas de entradas y salidas e incluso también usan tablas fijas para los demás tipos de datos como contadores, temporizadores, números enteros y decimales, caracteres, cadenas de caracteres y demás. Sin embargo, la tendencia moderna es administrar la memoria con la segunda metodología, es decir, creando los datos requeridos en la memoria.

Las señales de entrada y salida siempre tendrán una imagen dentro del PLC, sin importar la metodología usada. Las señales de entrada son leídas de los módulos de entrada y se almacenan en un byte, palabra o doble palabra interno, a esto se le denomina imagen de entrada ó tabla de imágenes de entrada. Normalmente, el programa elaborado leerá los datos de entrada para tomar decisiones sobre como deberá controlar las salidas.

Las señales de salida son escritas por el programa únicamente, y se almacenan en localidades especiales de memoria denominadas imágenes de salida ó tabla de imágenes de salida. Existirán localidades de salida asociadas a cada módulo de salida que se tenga configurado en el PLC, estos módulos leerán los datos de sus tablas de imágenes de salida y tomarán alguna acción dependiendo del valor leído.

En muchos PLC-5 de Allen-Bradley la tabla de imágenes de entrada posee 32 palabras (16bits) posibles. Esto es, no pueden existir más de 512 entradas discretas. Así mismo, el número de salidas que posee la tabla de imágenes de salida es de 32 palabras. La manera como Allen-Bradley identifica a su tabla de imágenes de salida es con una ‘O’ y a la tabla de imágenes de entrada con una ‘I’. Para identificar una salida o una entrada dentro de estas tablas utiliza una notación que refleja la ubicación de la entrada o salida en el chasis del PLC, en el módulo particular con el que se trabaje.


Diagrama de flujo de la información de entrada/salidas en los PLC

Como ejemplo suponga que posee un módulo de entrada en la ranura 1 del chasis de un PLC-5 de Allen-Bradley y que desea leer la entrada 3 de dicho módulo. Para leer esta entrada requerirá de una instrucción que lea la dirección I1:001/03.

La manera como un PLC de un fabricante administra su memoria es diferente de cómo lo hacen los demás fabricantes. Es por esto que es necesario estudiar la manera particular como cada PLC asocia sus datos de entrada/salida con sus tablas de imágenes de entrada/salida.

Direccionamiento de la memoria y de otros tipos de datos

Las entradas y las salidas son los datos más importantes manejados por la memoria de un PLC, pero además de estos datos existen muchos otros datos indispensables para realizar cualquier programa de control y que requieren ser almacenados igualmente en la memoria. Debido a que cada fabricante maneja la memoria de forma diferente, en esta sección se continuará usando al PLC-5 de Allen-Bradley como ejemplo.

A continuación se describirá la manera como se direccionan algunos de los tipos de datos más importantes en los PLC.

Los datos enteros del PLC-5 se almacenan en formatos de palabra con signo (en complemento a dos). Se pueden crear en cualquier archivo de memoria a partir del archivo 3 y cada archivo puede contener hasta 1000 números enteros. Por ejemplo, suponga que se tiene el archivo 5 asignado a números enteros y que necesita direccionar el 5to entero del archivo, la dirección correspondiente a dicho archivo sería N5:005. Los archivos enteros siempre tiene la letra ‘N’ delante para identificarlos como archivos de enteros.

Ahora suponga que desea direccionar el elemento 20 decimal ubicado en el archivo 3 de números decimales de un PLC-5. La dirección de memoria que se requiere será F3:020. La letra ‘F’ se utiliza en todos los archivos de números decimales.

Imagine ahora que se quiere utilizar el cuarto temporizador de un conjunto de temporizadores ubicados en el archivo 10, y que en particular se desea conocer cuanto tiempo lleva contado dicho temporizador. En este caso la dirección incorpora un nuevo elemento ya que el dato que se está direccionando es una


estructura de datos (ver la siguiente figura). Lo que se hace es que se direcciona al temporizador, como se haría con cualquier otro dato simple, y posteriormente se coloca un puno ‘.’ y el campo de la estructura que se desea consultar o modificar. En este caso el campo a consultar se denomina acc y la dirección requerida sería T10:004.ACC. Todos los archivos que contengan temporizadores comienzan por la letra ‘T’ en Allen-Bradley.

Estructura de datos de temporizadores en PLC-5 de Allen-Bradley (Fuente: Manual de instrucciones del PLC-5 de Allen-Bradley. 1998, Pag. 2-2)

Como puede apreciarse el direccionamiento de los datos está íntimamente relacionado con el PLC que se esté utilizando. Incluso al utilizar PLCs de un mismo fabricante pero de familias ó generaciones diferentes, cambia sustancialmente el modo de direccionamiento de memoria. Este es uno de los aspectos primordiales que hay que conocer al comenzar a estudiar un nuevo PLC.

TEMA 10: Instrucciones básicas.Instrucciones de bits. Instrucciones de tiempo y de conteo. Instrucciones lógicas y de comparación.

Instrucciones de contactos del lenguaje diagrama de escalera.

El lenguaje Diagrama de Escalera fue el primero en aparecer en los PLC ya que su programación hace referencia a la lógica cableada de relés que sustituían. Las instrucciones principales de los diagramas de relés son instrucciones de contacto de relés (contactos y bobinas) que trabajan con datos discretos; según el estándar IEC 61131-31 estas instrucciones son las que se muestran a continuación.

- Contactos estáticos.

a- Contacto normalmente abierto: el estado del vínculo izquierdo de la instrucción se copia al vínculo del lado derecho si el estado del dato booleano asociado a la instrucción está encendido (es verdadero ó 1 lógico), de lo contrario el estado del vínculo derecho está apagado (es falso ó 0 lógico).

Símbolo: --| |-- ó --! !--

Tabla de verdad:

1 Estándar IEC 61131-3 sección 4.2.3. Instrucciones de contacto de relés. página 141


Vínculo Izquierdo (entrada)

Estado de la variable

lógica

Vínculo Derecho (salida)

0 X 0

1 0 0

1 1 1

b- Contacto normalmente cerrado: el estado del vínculo izquierdo de la instrucción se copia al vínculo del lado derecho si el estado del dato boleano asociado a la instrucción está apagado (es falso ó 0 lógico), de lo contrario el estado del vínculo derecho está encendido (es verdadero ó 1 lógico).

Símbolo: --| / |-- ó --! / !--

Tabla de verdad:


Estado de la variable

lógica


0 X 0

1 0 1

1 1 0

Contactos detectores de transición.

a- Contacto detector de transición ascendente: el estado del vínculo derecho está encendido (es verdadero ó 1 lógico), de una evaluación a otra de esta instrucción (por un sólo ciclo de ejecución), si se detecta una transición ascendente de la variable asociada a la instrucción de una evaluación a la próxima y si el estado del vínculo de entrada está encendido; de lo contrario el estado del vínculo derecho está apagado (es falso ó 0 lógico).

Símbolo: --| P |-- ó --! P !--

Tabla de verdad:


Estado de la variable lógica


0 X 0

1

Estado estable encendido o apagado ó transición

descendente

0





1 Transición ascendente 1

b- Contactos detector de transición descendente: el estado del vínculo derecho está encendido (es verdadero ó 1 lógico), de una evaluación a otra de esta instrucción (por un sólo ciclo de ejecución), si se detecta una transición descendente de la variable asociada a la instrucción de una evaluación a la próxima y si el estado del vínculo de entrada está encendido; de lo contrario el estado del vínculo derecho está apagado (es falso ó 0 lógico).

Símbolo: --| N |-- ó --! N !--

Tabla de verdad:




0 X 0

1Estado estable

encendido o apagado ó transición ascendente

0

1 Transición descendente 1

Observaciones sobre las instrucciones de contactos: las instrucciones de contactos son instrucciones de entrada. Si se desea implementar una función AND con estas instrucciones se colocan en serie y si se desea implementar una función OR con estas instrucciones se colocan en paralelo. Siempre el valor en el vínculo de la derecha depende del valor del vínculo de la izquierda y del valor leído de la variable asociada a la instrucción. Estas instrucciones se utilizan para crear funciones lógicas de control que permitan tomar decisiones automáticas sobre los estados del proceso.

Bobinas instantáneas.

a- Bobinas sin retención: el estado del vínculo izquierdo se copia a la variable asociada a la instrucción y al vínculo derecho de la misma.

Símbolo: --( )--

Tabla de verdad:





0 0 0

1 1 1

b- Bobinas negada sin retención: el estado del vínculo izquierdo se copia invertido a la variable asociada a la instrucción y en el vínculo derecho se copia el mismo estado del vínculo izquierdo.

Símbolo: --(/)--

Tabla de verdad:




0 1 0

1 0 1

Bobinas con retención.

a- Bobinas con retención: el estado del vínculo izquierdo se copia al vínculo derecho de la misma. Si el estado copiado es encendido el dato asociado almacena el valor encendido, de lo contrario se mantiene el valor anterior de la variable.

Símbolo: --(S)--

Tabla de verdad:




0 Se mantiene el estado anterior 0

1 1 1

b- Bobinas con desretención: el estado del vínculo izquierdo se copia al vínculo derecho de la misma. Si el estado del vínculo de entrada está encendido el dato asociado se apaga, de lo contrario se mantiene el valor anterior del dato asociado.

Símbolo: --(R)--


Tabla de verdad:




0 Se mantiene el estado anterior 0

1 0 1

Bobinas con detección de transiciones.

a- Bobinas con detección de transición ascendente: el estado del vínculo izquierdo se copia al vínculo derecho de la misma. Si se detecta una transición ascendente en valor del vínculo izquierdo de una evaluación de la instrucción a otra se almacena el valor encendido en la variable asociada (por una evaluación de la instrucción), de lo contrario se mantiene apagado.

Símbolo: --(P)--

Tabla de verdad:




Apagado, encendido ó transición

descendente0

Estado del vínculo

izquierdo

Transición ascendente

1 (durante una ejecución)

Estado del vínculo

izquierdo

b- Bobinas con detección de transición descendente: el estado del vínculo izquierdo se copia al vínculo derecho de la misma. Si se detecta una transición descendente en valor del vínculo izquierdo de una evaluación de la instrucción a otra se almacena el valor encendido en la variable asociada (por una evaluación de la instrucción), de lo contrario se mantiene apagado.

Símbolo: --(N)--

Tabla de verdad:





Apagado, encendido ó transición

ascendente0

Estado del vínculo

izquierdo

Transición descendente

1 (durante una ejecución)

Estado del vínculo

izquierdo

Observaciones sobre las instrucciones de bobinas: las instrucciones de bobinas son instrucciones de salida. Según el estándar se pueden colocar en serie o en paralelo con la peculiaridad de que el valor del vínculo de la izquierda siempre se copia al vínculo de la derecha. En todo caso estas instrucciones escriben en el dato asociado (a diferencia de las instrucciones de contacto) y el valor escrito depende de la función que implementan. Estas instrucciones permiten escribir en datos que pueden salir por los módulos discretos de los PLC o simplemente representan valores intermedios del proceso.

Contadores.

El estándar define tres tipos de contadores, contadores ascendentes, descendentes y ascendentes/descendentes. A continuación se muestran explican estas instrucciones.

Contador ascendente: incrementa su valor interno acumulado en 1 cuando se detecta una transición ascendente en la entrada de conteo (CU) de esta instrucción. Si el conteo alcanza el valor máximo posible de conteo no se realizan conteos sucesivos así se produzcan nuevos pulsos en la entrada de conteo. La salida del contador (Q) es verdadera cuando el valor acumulado alcance o sea mayor al valor prefijado de lo contrario es cero. Cuando se active la señal de reinicio del contador (R) el valor acumulado se inicializa en cero.

Instrucción Implementación en texto estructurado

+-----+ | CTU | BOOL--->CU Q|---BOOL BOOL---|R | INT---|PV CV|---INT +-----+

IF R THEN CV := 0; ELSEIF CU AND (CV < PVmax) THEN CV := CV+1; END_IF; Q := (CV >= PV);


Contador descendente: decrementa su valor interno acumulado en 1 cuando se detecta una transición ascendente en la entrada de conteo (CD) de esta instrucción. Si el conteo alcanza el valor mínimo posible de conteo no se realizan conteos sucesivos así se produzcan nuevos pulsos en la entrada de conteo. La salida del contador (Q) es verdadera cuando el valor acumulado es igual o menor a cero de lo contrario es cero. Cuando se active la señal de carga del valor inicial (LD) el valor acumulado se inicializa en el valor predefinido (PV).


+-----+ | CTD | BOOL--->CD Q|---BOOL BOOL---|LD | INT---|PV CV|---INT +-----+

IF LD THEN CV := PV; ELSEIF CD AND (CV > PVmin) THEN CV := CV-1; END_IF; Q := (CV <= 0);

Contador ascendente/descendente: combina la funcionalidad de los dos contadores anteriores. Es muy útil cuando se requiera llevar el conteo de los elementos que se encuentran en un estado intermedio de un proceso en el que los elementos entran y salen.


+------+ | CTUD | BOOL--->CU QU|---BOOL BOOL--->CD QD|---BOOL BOOL---|R | BOOL---|LD | INT---|PV CV|---INT +------+

IF R THEN CV := 0; ELSEIF LD THEN CV := PV; ELSE IF NOT (CU AND CD) THEN IF CU AND (CV < PVmax) THEN CV := CV+1; ELSEIF CD AND (CV > Pvmin) THEN CV := CV-1; END_IF END_IF END_IF QU := (CV >= PV); QD := (cv <= 0);

Bloques de funciones Temporizadores.

Existen tres tipos básicos de temporizadores el temporizador de pulso, en temporizador con retardo para el encendido y el temporizador con retardo en el apagado, estos se explican en las siguientes tablas.

Temporizador de pulsos (TP): en este temporizador la salida (Q) es verdadera una vez que la entrada (IN) se active hasta que el tiempo acumulado (ET) sea igual al tiempo prefijado (PT). El tiempo que la salida se mantiene activa si la entrada se


mantiene activa una vez terminado el conteo de tiempo de lo contrario se mantiene falsa la salida. A continuación se muestra el gráfico de dicho temporizador y el diagrama de tiempo del mismo.

Instrucción Diagrama de tiempo

+-------+ | TP | BOOL---|IN Q|---BOOL TIME---|PT ET|---TIME +-------+

+--------+ ++ ++ +----------+ IN | | || || | | --+ +-----++-++---+ +-- t0 t1 t2 t3 t4 t5

+----+ +----+ +----+ Q | | | | | | --+ +---------+ +--+ +-------- t0 t0+PT t2 t2+PT t4 t4+PT

PT +---+ + +---+ : / | /| / | ET: / | / | / | : / | / | / | : / | / | / | 0-+ +-----+ +--+ +---- t0 t1 t2 t4 t5

Temporizador con retardo en el encendido (TON): en este temporizador la salida (Q) es verdadera una vez que haya transcurrido en tiempo prefijado siempre que la entrada (IN) se mantenga activa. Si en cualquier momento la entrada hace una transición al estado falso el conteo de tiempo vuelve a cero y se reinicia el ciclo de conteo. A continuación se muestra el gráfico de dicho temporizador y el diagrama de tiempo del mismo.


+-------+ | TON | BOOL---|IN Q|---BOOL TIME---|PT ET|---TIME +-------+

+--------+ +---+ +--------+ IN | | | | | | --+ +-----+ +---+ +-- t0 t1 t2 t3 t4 t5

+---+ +---+ Q | | | | -------+ +------------------+ +-- t0+PT t1 t4+PT t5

PT +---+ + +---+ : / | /| / | ET: / | / | / | : / | / | / | : / | / | / | 0-+ +-----+ +--+ +---- t0 t1 t2 t4 t5

Temporizador con retardo en el apagado (TOF): en este temporizador la salida (Q) es verdadera un tiempo PT después de apagarse la entrada. La salida permanecerá activa siempre que la entrada esté apagada, cuando la entrada realice una transición ascendente en la entrada se reinicia el conteo de tiempo. A continuación se muestra el gráfico de dicho temporizador y el diagrama de tiempo del mismo.



+-------+ | TOF | BOOL---|IN Q|---BOOL TIME---|PT ET|---TIME +-------+

+--------+ +---+ +--------+ IN | | | | | | --+ +--------+ +---+ +------ t0 t1 t2 t3 t4 t5

+-------------+ +---------------------+ Q | | | | --+ +---+ +- t0 t1+PT t2 t5+PT

PT +---+ +- : / | + / ET: / | /| / : / | / | / : / | / | / 0----------+ +---+ +--------+ t1 t3 t5

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