Tema 70 – Control programado – tipos, elementos y características

Tema 70 – Control programado – tipos, elementos y características

1 Introducció. 1

2 Tipus, elements i característiques de control programat. 2

2.1 L’autòmat programable. 2

2.1.1 Característiques de l’autòmat programable. 2

2.2 Ordinadors industrials. 3

3 Elements i característiques d’un control programat. 3

3.4 El hardware. 4

3.5 El software. 4

3.6 Estructura d’un control programat. 4

3.7 Programació de l’autòmat. 8

1 Introducció.

La automatització de màquines, aparells o processos de fabricació ha estat una necessitat al llarg de la història. Ja en temps de la Grècia Clàssica s’utilitzava la clepsidra o temporitzador d’aigua. Cap el S. XVII i XVIII cal destacar l’aparició d’autòmats amb complexos mecanismes que imitaven moviments humans.

En quant a l’automatització cal destacar dues opcions tecnològiques:

La primera és la tecnologia cablada que pot ser elèctrica amb relés electromagnètics, o bé electrònica amb circuits electrònics.

Les tecnologies cablades es caracteritzen per la seva manca de flexibilitat i ocupar molt d’espai, la única manerar de canviar la funciò de control és modificant els seus components o la forma d’interconnectar-los.

L’electrònica va solucionar el problema del volum i de la velocitat de resposta, però té el problema de que la tensió del circuit de control i el de potència són diferents.

Amb la posterior aparició del microprocessador ja es pot parlar de tecnologia programada i apareix l’ordinador industrial o de procés què és semblant al de gestió, peró preparat per funcionar en ambients industrials equipat amb moltes entrades i sortides. L’ordinador industrial té l’inconvenient de que necessita de personal amb coneixements informàtics i d’automatizació a la vegada.

Finalment apareix l’autòmat programable o PLC el qual aporta una sèrie de millores: disminució del cost, equip més compacte adaptat al medi industrial, possibilitat de programació i manteniment per part de personal sense formació informàtica, la programació s’efectua a partir de la reproducció d’un diagrama de relés, al qual hi estan avesats els tècnics de procés.

La tecnologia programada aporta avantatges significatius respecte de la cablada: Reducció d’espai, flexibilitat als canvis, facilitat a la resolució d’avaries, i possibilitat de funcions de control complexes.

2 Tipus, elements i característiques de control programat.

2.1 L’autòmat programable.

2.1.1 Característiques de l’autòmat programable.

Un autòmat programable és una màquina electrònica dissenyada per realitzar en temps real i en ambient industrial, automatismes combinacionals i seqüencials, i pensada per ser programada per personal no informàtic.

Els primers autòmats van aparèixer l’any 1.968; aquests empraven memòria de ferrita i un processador cablejat a base de circuits integrats. Van susbtituir les maniobres de relés que control·laven màquines o processos seqüencials.

A mitjans dels 70 apareix el microprocessador, això fa que augmenti la capacitat de càlcul i la comunicació amb la màquina. Els primers autòmats tenien com a missió substituir els relés, per això les seves prestacions eren similars a les tecnologies cablades i els llenguatges de programació pròxims als circuits de relés.

Els PLC actuals han augmentat les seves prestacions en quant a comunicació, velocitat de resposta i incorporant un joc d’instruccions de programació més ampli i potent. Els PLC de gamma alta s’acosten a les prestacions d’un miniordinador i n’hi ha que són programables en llenguatges pròpiament informàtics com el BASIC.

La tendència a actual va encaminada a dotar-lo de més funcions específiques de control i de més canals de comunicació per a poder connectar-se entre les seves parts i amb ordinadors. Així s’ha arribat a la connexió d’una xarxa de d’autòmats connectada a un ordinador capaç d’oferir les prestacions i avantatges d’ambdos sistemes i d’integrar en un sol sistema les funcions de producció assistida per ordinador (Computer Integrated Manufacturing, CIM).

Els camps d’aplicació del PLC abarca qualsevol tipus d’automatització industrial: Maquinària tèxtil i de confecció, maquinària de la indústria del plàstic, màquines eina complexes, instal·lacions en la indústria de l’automòbil, instal·lacions d’aire condicionat i calefacció, instal·lacions de fred industrial, instal·lacions de plantes embotelladores, instal·lacions de magatzematge i embalatge, senyalització de processos, etc.

Els avantatges que presenta un PLC de gamma mitjana són els següents:

· Possibilitat d’introduir modificacions sense haver de canviar la xarxa de connexions ni afegir-hi dispositius.

· Espai d’ocupació reduït.

· Reducció del cost de la mà d’obra de la instal·lació.

· Menor temps en l’elaboració del projecte.

· Possibilitat de comandar diferents màquines amb un únic autòmat.

· Menor temps de posada en funcionament de la instal·lació, ja que queda reduït el temps de cablatge. El mateix programa pot servir per automatitzar un nombre infinit de màquines o instal·lacions similars.

· Menor cost de manteniment. Com que es redueix el nombre de components i el cablatge, s’augmenta la fiabilitat del sistema i disminueix el nombre d’avaries i, a més, la resolució d’aquestes és més fàcil i ràpida.

· Reutilització del PLC. Si una màquina o instal·lació queda fora de servei , l’autòmat segueix sent vàlid per utilitzar-lo en una altra.

Inconvenient dels PLC són els següents:

· Necessitat de disposar de personal amb un cert grau d’especialització per programar-lo i fer el manteniment posterior.

· El seu preu inicial és més elevat que altre opcions tecnològiques. Caldrà doncs un estudi més profund per trobar la solució adequada.

2.2 Ordinadors industrials.

L’ordinador no és fins a la dècada dels anys noranta que entra amb força dins l’empresa, amb l’abaratiment dels PC (Personal Computer). L’ordinador a l’empresa realitza fonamentament tasques de gestió, però poc a poc ha anat assolint noves comeses dins del departament de producció com és la de control de processos. Per a realitzar aquestes noves tasques ha anat acompanyada d’algunes adaptacions del PC a aquest nou ambient. Per a això ha de complir una sèrie de requisits:

Robustesa per suportar les agressions de l’entorn de fabricació.

Fiabilitat per garantir el bon funcionament de l’equip dins del sistema de control.

Compatibilitat per permetre utilitzar productes estàndard i poder aprofitar l’oferta del mercat tant en maquinari com en programari.

Comunicabilitat per assegurar la integració de l’ordinador dins el sistema de control.

Capacitat d’ampliació per donar una major flexibilitat a l’equip.

L’ordinador personal supera a l’autòmat en potència de programació i en la comunicació amb l’usuari i altres sistemes. Per contra el PLC té millors prestacions quant a seguretat de funcionament i interconnexió amb el procés o automatisme.

La solució industrial adoptada en l’actualitat passa en molts casos per la utilització d’un sistema mixt, integrat per autòmats o una xarxa d’autòmats que actuen com a control immediat en el procés, units tots ells a un o diversos ordinadors personals, enllaçats o no entre ells, que s´encarreguen de les operacions de càlcul, gestió de dades, presentació de resultats, connexió amb dispositius específics.

3 Elements i característiques d’un control programat.

El control programat és aquell que realitza un dispositiu en el què el procés d’operació està definit per un programa o llista d’instruccions, i no per un circuit cablejat.

En distingirem dues parts principal el hardware i el software.

3.4 El hardware

El hardware es defineix com el conjunt de tots els elements físics o circuits electrònics necesaris per processar la informació del programa. Aquests elements i la seva disposició no han de ser modificats encara que es modifiqui el procés a controlar.

Les característiques del control programat respecte del hardware seran les següents:

· La longitud de la paraula processada.

Està referida al nombre de bits que es poden processar de forma paral·lela.

· La velocitat de cicle o cicle d’instrucció.

Aquesta ve donada pel rellotge.

· La capacitat de direccionament de memòria.

És el nombre de llocs de memòria als quals es pot accedir simultàniament.Aquesta està estretament relacionada amb la longitud de paraula processada.

· La capacitat d’interrupció.

Ens determinarà la capacitat que té el sistema d’executar les instruccions del programa i comunicar-se amb els perifèrics a la vegada.

3.5 El software

El software és el conjunt d’elements del sistema que poden ser modificats, com el programa d’instruccions o les llistes de dades. Es tracta doncs d’informació que es introduïda pel programador a través del perifèric corresponent.

Les característiques més destacades del software són les següents:

· Ventall d’instruccions o repertori.

Aquest ens determina les possibilitats de programació.

· Els llenguatges de programació.

S’ha de comptar amb els corresponents traductors a llenguatge màquina, que és l’únic interpretable pel sistema.

· Possibilitat de treball en temps real.

· Sistemes operatius utilitzats.

3.6 Estructura d’un control programat.

Aquest consta bàsicament de les següents parts:

Unitat de control o unitat central de procés.

En aquesta s’interpreten i processen cadascuna de les instruccions del programa.

Memòria.

Es magatzema tota la informació, tant del programa com de les dades.

Les unitats d’entrada/ sortida.

Són les encarregades d’establir la comunicació entre la unitat de control i el procés . Recullen la informació dels sensors, i aquesta un cop processada pel programa és enviada al actuadors del procés a través de la sortida.

El programa.

Aquest consisteix en una llista d’instruccions que és magatzemada en la unitat de memòria, així com les dades que aquest necessita per puguer funcionar.

clip_image002Figura 3.6.1 Estructura d’un control programat.

Unitat de control.

També anomenada CPU, és la part intel·ligent de l’autòmat. La seva funció consisteix en consultar l’estat de les entrades i executar seqüencialment les instruccions del programa, per poder elaborar els senyals d sortida o ordres que s’enviaran al procés.

L’element principal de la unitat de control és el microprocessador

Aquest s’encarrega de processar el programa que tenim en memòria, per realitzar aquesta tasca necessitarà una sèrie de vies de comunicació amb els altres dispositius implicats en el procés.

Aquestes línies de transmissió s’anomenen bus. Hi ha diferents tipus de busos:

El bus de dades: Pel bus de dades entra la informació a processar dins del microprocessador. En funció del nombre de línies sabrem la quantitat d’informació que és capaç de processar a la vegada. Per exemple 8 línies per a 8 bits.

El bus d’adreces: Hi circula informació relativa al lloc de memòria o adreça en la que es troben les dades que s’han de llegir o grabar. A més línies més memòria podrem direccionar.

Figura 3.6.2 CPU o Microprocessador.

clip_image004El bus de control.

El bus de control portarà informació de control cap a altres unitats implicades en el procés i les operacions que es realitzen: lectura, escriptura, supervisió de memòria, control d’entrada i sortides etc…

El senyal de rellotge.

Marca el ritme o velocitat de processament mitjançant una sèrie d’impulsos o senyals.

L’entrada d’alimentació elèctrica.Vcc

Aquesta proporciona la tensió necessària per al funcionament del dispositiu.

Parts d’un microprocessador

Els circuits interns d’un microprocessador es poden dividir en quatre:

· Unitat de control (UC)

S’encarrega d’interpretar les instruccions del programa a través d’un decodificador i provoca les operacions d’execució. Generarà els senyals adequats de control interns i externs al microprocessador.

 
 

Figura 3.3.2 Parts internes d’un microprocessador.

· clip_image006Untitat aritmètico lògica (UAL)

La unitat aritmètico lògica s’encarrega de realitzar totes les operacions que li encarrega la unitat de control.

· Acumulador

És un registre de tipus general que està lligat a la unitat aritmètico-lògica, serveix com a magatzem immediat d’una dada sobre la que es realitza una operació. Un cop fet això el resultats s’emmagatzema a l’acumulador substituint la dada anterior. Existeixen un o més acumuladors.

· Comptador de programes.

La seva funció és la d’assenyalar l’adreça de la següent paraula d’informació que s’ha de processar. Aquest comptador s’incrementa en una unitat cada cop que s’executa una instrucció del programa.

La capacitat per a processar informació d’un microprocessador vindrà donada per:

Capacitat de memòria direccionable. Depèn del nombre de línies del bus d’adreces. 2n serà la quantitat de memòria direccionable.

Velocitat d’execució.

Està estretament lligada a la tecnologia en la que està construït el microprocessador. (P_MOS, N_MOS, TTL, CMOS, o BI_CMOS).

MEMÒRIA

Dins de la memòria es magatzemen totes les dades que necessita per efectuar totes les tasques de control. S’hi emmagatzemen les dades del programa o de control i les dades de procés.

Dades de control

Seqüència d’instruccions o programa d’usuari.

Configuració de l’autòmat.

Dades del procés

Senyals d’entrades i sortides.

Variables internes.

Dades alfanumèriques i constants.

L’assignació de memòria pot ser fixa quan la part de memòria corresponent al programari i la corresponent a les dades ja ve fixada pel fabricant. L’assignació dinàmica consisteix en que a mesura que s’escriu el programa es reassigna la memòria a cadascuna de les parts.

El programari d’un autòmat també disposa de sistema operatiu aquest s’encarrega de llegir les entrades i sortides, d’efectuar un scan de programa, gestionar els possibles errors de funcionament, etc.. El sistema operatiu ve programat de fàbrica i ocupa una part fixa de la memòria.

Tipus de memòria.

· Memòries volàtils o memòries RAM (Random Access Memory).

Poden ser llegides, escrites o esborrades fàcilment pel propi autòmat. Tenen l’inconvenient de que quan falla la alimentació perden la informació gravada . De vegades incorporen una petita bateria per a aquests casos, d’aquesta manera podem recuperar la informació perduda.

· Memòries no volàtils.

Poden llegir-se i mantenen la informació quan es desconnecta l’alimentació elèctrica . Amb tot, difereixen en la forma en què es poden escriure i esborrar.

ROM (Read Only Memory) És un tipus de memòria que només pot ser llegida, es programa en el moment de fabricar-la i posteriorment no pot ser escrita ni esborrada.

PROM (Programable ROM) Igual que la memòria ROM, és una memòria que no es pot esborrar, però en canvi es pot programar elèctricament un sol cop.

EPROM (Erasable PROM) Pot programar-se elèctricament diverses vegades i esborra tot el seu contingut de cop i més d’un cop, exposant-la a la llum ultraviolada.

EEPROM (Electrically erasable PROM). La programació i l’esborrat de la memòria es pot realitzar elèctricament.

EAPROM (Electrically alterable PROM). El seu comportament és similar al d’una memòria RAM, amb la diferència que la informació no es perd en desconnectar l’alimentació. És la única memòria no volàtil en que es pot modificar una part del contingut sense haver d’esborrar tota la memòria.

ELEMENTS D’ENTRADA I SORTIDA.

Els elements d’entrada sortida són els que permeten comunicar l’autòmat amb el procés que s’està control·lant i amb l’usuari. Els elements d’entrada assabenten l’autòmat de l’estat del procés (elements activats i desactivats, posicions, nivells, etc..) a partir de la informació subministrada pels sensors i detectors del sistema. Els elements de sortida permeten a l’autòmat d’actuar sobre els accionadors i preaccionadors del procés. (relés, contactors, pilots, electrovàlvules,etc..)

Degut a la gran quantitat de senyals que poden presentar-se en un procés, hi ha en el mercat un gran nombre d’interfícies, tant d’entrades com de sortides, que permeten la comunicació de l’autòmat amb el procés industrial. En la gamma de petits autòmats, el tipus d’interfícies és més limitat i els més habituals són:

· ENTRADES

Digitals de tipus si/no, de corrent continu 24 o 48 V

Digitals de tipus si/no, de corrent altern 110 o 220 V

Analògiques, de 0-10 V o 4-20 mA.

· SORTIDES

Tipus tot/res, per relé.

Tipus tot/res, per triac a 220 V màxim.

Tipus tot/res, de col·lector obert de 24-48 V corrent continu.

Analògiques, de 0-10 V o 4-20 mA.

3.7 Programació de l’autòmat.

L’autòmat a més de comunicar-se físicament amb el procés a través dels senyals d’entrada i sortida, necessita una sèrie d’ordres establertes per l’usuari per a obtenir les variables de sortida o control. A l’acció d’establir aquestes ordres se l’anomena programació de l’autòmat i a la sequència establerta programa d’aplicació.

De vegades cal intervenir en el procés per modificar algun dels seus paràmetres, o bé llegir el seu estat; és el que s’anomena explotació de l’aplicació.

Així es pot definir programari d’un autòmat com el conjunt de programes destinats a permetre la utilizació del maquinari per a la produccció i explotació de les aplicacions.

Per intercanviar informació entre l’usuari i l’autòmat hem de disposar d’un codi que sigui comprensible per a tots dos. S’aconsegueix mitjançant llenguatges de programació i d’explotació preestablerts pel fabricant.

Els llenguatges de programació possibles en els autòmats són diversos encara que no tots es poden emprar en tots ells. Com exemple representarem un inversor de gir en diferents llenguatges. El seu funcionament és el següent:

clip_image008L’inversor de gir funciona de manera que quan premem el polsador S2 aquest activa el contactor K1; aquest contactor K1 llavors obre el contacte normalment tancat K1de l’altra branca i es tanca el normalment obert de la mateixa branca. El motor continuarà funcionant fins que s’activa el final de cursa S4 o el polsador de parada S1.

Quan premem S3 s’activa el contactor K2 i tots els seus contactes associats com el normalment tancat de la branca esquerra i el normalment obert de la dreta . El motor girarà en aquest sentit fins que s’activa el final de cursa S5 o bé polsem la parada S1.

Encara que no estiguin dibuixats també s’activen els corresponents contactes del circuit de potència que en aquest cas no s’han dibuixat. La finalitat dels contactes normalment tancats k1 i k2 és la d’evitar un curtcircuit en el circuit de potència. I la dels contactes normalment oberts k1 i k2 és la de mantenir les respectives branques tancades després que els polsadors S2 i S3 retornen a la seva posició inicial.

· Diagrama de contactes.

Es tracta de representar mitjançant la simbologia adequada els contactes del circuit cablat . El programa ja s’encarrega de passar-ho a llenguatge màquina per a que l’automata realitzi el control.

clip_image010

· Llista d’instruccions o pnemònic.

El llistat d’instruccions és un llenguatge que es basa en l’algebra de Boole. Les instruccions són d’un sol operant.

clip_image012

· Diagrama lògic.

Aquest tipus de representació es realitza amb simbologia electrònica normalitzada que representen funcions lògiques directes de l’algebra de Boole. o bé sistemes lògics més complexos com els (biestables, registres, comptadors).

clip_image014

· Diagrama de flux o ordinograma.

Aquest sistema de representació té com a objectiu mostrar gràficament les sequències d’evolució i presa de decisions del procés o automatisme.

clip_image016

· Grafcet.

És una evolució del diagrama de flux, que combina els avantatges de la representació seqüencial gràfica amb la representació dels mètodes preexistents, és la representació per diagrames GRAFCET.

El GRAFCET (Graphe fonctionel de commande Etape-Transition) Gràfica funcional de comandament Etapa-Transició. És un mètode normalitzat per la Norma internacional IEC 848 (International Electrothecnical Commission) representa directament la successió de les etapes dins d’un cicle de producció, separades per transicions o condicions de salt entre etapes.

clip_image018

· Funcions algebràiques.

Aquest sistema consisteix a escriure directament les equacions algebràicas lògiques que representen l’automatisme. Les funcions del nostre exemple seran:

clip_image019clip_image019[1]clip_image019[2] K1=S1 (S2 + K1) S4 K2

           
  clip_image019[3]   clip_image019[4]   clip_image019[5]

K2= S1 (S3+ K2) S5 K1

· Llenguatges d’alt nivell.

Hi ha autòmats que admeten la programació directament amb llenguatges d’alt nivell, com ara BASIC o PASCAL. Aquest sistema de programació, molt semblant al que s’empra en la programació d’ordinadors, té l’avantatge d’utilitzar instruccions molt més potents que simplifiquen la programació.

Un exemple de programació en llenguatge BASIC per la nostra aplicació podria ser:

10 IF (NOT S1) AND (S2 OR K1) AND (NOT S4) AND (NOT K2) THEN SET K1 ELSE RST K1.

20 IF (NOT S1) AND (S3 OR K2) AND (NOT S5) AND (NOT K1) THEN SET K2 ELSE RST K2.