Parte I

CONTROL INDUSTRIAL POR PLC (Primera de de dos dos partes) partes) (Primera Colaboración de la Escuela Mexicana de Electricidad

Introducción

En este artículo revisaremos las bases del control mediante “controladores lógicos programables” (los llamados PLC). Este material forma parte de los manuales didácticos que edita la Escuela Mexicana de Electricidad como soporte a los cursos y especialidades que imparte. De hecho, si usted tiene interés en establecer contacto con esta prestigiada institución con más de 60 años de vida activa, puede consultar la página 79 de esta revista.

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El concepto de control es extraordinariamente amplio, pues comprende desde un simple interruptor que gobierna el encendido de una bombilla o el grifo que regula el paso de agua en una tubería, hasta el más complejo ordenador de proceso o el piloto automático de un avión. Podríamos definir al control como “la manipulación indirecta de las magnitudes de un sistema denominado planta, a través de otro sistema llamado sistema de control”. En la figura 1 se muestra un diagrama a bloques de estos dos elementos esenciales: sistema de control y planta. Los primeros sistemas de control se desarrollaron durante la revolución industrial, entre finales del siglo XIX y principios del siglo XX. Inicialmente, se basaban sólo en componentes mecánicos y electromecánicos (básicamente, engranajes, palancas, relés y pequeños motores).

Diagramas de contactos El uso de relés electromecánicos para controlar sistemas automáticos, es una tecnología antigua

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se utiliza un contacto perteneciente a un dispositivo que dispone de múltiples contactos, sólo el contacto requerido para la función en turno se indica en la línea correspondiente. Y si los demás contactos están en uso, serán mostrados en las líneas correspondientes.

Figura 1 Sistema de control

Sistema de control

Planta

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 * #

Operador Consignas

Señales de control

Magnitudes respuesta

que se utilizaba para el control eléctrico cuando no existían los PLC de bajo costo. Pero esta tecnología ha visto limitada su aplicación en sistemas neumáticos, debido a la evolución de la neumática robusta; y es que esta última es apta para condiciones peligrosas, y generalmente es más fácil de instalar. En la figura 2 se muestra un diagrama de contactos, que simboliza el funcionamiento del control mediante relés y electroválvulas neumáticas de un sistema de control. El diseño de este tipo de diagramas se ha estandarizado, de manera que las líneas de voltaje queden en los extremos. Las diferentes líneas de unión entre las dos líneas de voltaje, representan funciones lógicas compuestas por contactos de conmutación y por contactos de relé que controlan las bobinas de relés y los solenoides de las válvulas del sistema. Cuando Figura 2 R 1 s0 E 2 3 s1 E

4

13 RC

14 21 K2

1 RT

4

22

RT

1 3

31

21

32

22

K2 2

2

RC

RT

7

7

95 F2 96 95 F1

96

A1 K1 A2

A1 K2 A2

13 14

Funciones AND, OR y NOT En la figura 3 se muestran las tres funciones lógicas básicas de AND, OR y NOT (o sea, Y, O y NO), que son ejecutadas por pulsadores y activan la válvula solenoide correspondiente cuando se satisfacen los requisitos lógicos de cada línea. Figura 3

24v

PB1

PB3

PB4

PB5

PB2 SV2

SV1

SV3

0V AND

OR

NOT

Funciones de memoria Uno de los requisitos lógicos comunes dentro de un circuito de relés es el de la función de memoria, necesaria cuando existe una señal breve. Una vez que esta señal se activa, tiene que mantenerse para que, cuando se desactive, las acciones subsecuentes se lleven a cabo sin ningún problema. En el caso de un circuito de relés, esto puede conseguirse programando un relé para que se “enclave” mediante un par de contactos propios. También es posible utilizar contactos adicionales dentro del relé, para llevar a cabo las acciones necesarias (tal y como se muestra en la figura 4). En esta figura se observa la aplicación de un circuito de enclavamiento, en el que se utilizan dos pulsadores para activar y desactivar la alimentación al resto del diagrama. Se incluye una lámpara, para indicar el estado prevaleciente.

S

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Figura 4

24v

PB1

R1/1

R1/2

R1/3

R1/4

PB2 0V

R1

Memoria

Este control básico puede formar un extremo anterior estándar en los circuitos de relés siguientes, para el control de cilindros neumáticos. Pero a partir de los años cincuenta empezaron a emplearse los semiconductores, que permitían el diseño de sistemas de menor tamaño de consumo, más rápidos y con menor desgaste. En la década de los setenta, la complejidad y las prestaciones de los sistemas de control se incrementaron gracias al empleo de circuitos integrados; en particular, gracias a los de tipo programable (sistemas basados en microprocesadores). Al tiempo que se desarrollaban los circuitos integrados, lo hacían también los ordenadores digitales (aun y cuando su empleo en la industria quedaba restringido al control de procesos muy complejos, debido a su alto costo, a la necesidad de contar con personal especializado para su instalación y manejo, y a la poca facilidad de interconexión –interfaz– con el proceso, donde habitualmente se manejan tensiones y corrientes fuertes para las que no suele estar preparado el ordenador). La demanda en la industria de un sistema económico, robusto, flexible, fácilmente modificable y con más capacidad para trabajar con tensiones y corrientes superiores a las que soportaba el ordenador, hizo que se desarrollaran los autómatas programables industriales (abreviadamente API en la literatura castellana, y PLC en la literatura anglosajona). Básicamente, los primeros autómatas pretendían sustituir a los sistemas convencionales con relés o circuitos lógicos, con las ventajas evidentes que suponía tener un hardware estándar. Por eso nacieron con prestaciones muy similares a

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las de dichas tecnologías convencionales, y trabajaban en principio con lenguajes de programación muy parecidos a los esquemáticos empleados en las mismas. Estas limitaciones eran dictadas sólo por razones de mercado, y no porque realmente la tecnología de la época no permitiera hacer más; a decir verdad, aún había mucho que ofrecer. En muchos aspectos, las prestaciones de los autómatas actuales son superiores a las de sus antecesores; fundamentalmente, porque incorporan un juego de instrucciones más potente, mejoran la velocidad de respuesta y tienen la capacidad de comunicarse. Aparte de las operaciones lógicas con bits, los juegos de instrucciones actuales incluyen temporizadores y contadores, otra serie de operaciones lógicas con palabras, operaciones aritméticas, tratamiento de señales analógicas, funciones de comunicación y una serie de funciones de control no disponibles en la tecnología clásica de relés. Todo esto ha permitido su aplicación masiva en el control industrial, tal y como se muestra en la figura 5. En definitiva, podemos decir que los grandes autómatas actuales se acercan cada vez más a las prestaciones de un pequeño ordenador. Incluso, algunos de ellos son programables en lenguajes típicamente informáticos (como el Basic). Sin embargo, las principales virtudes de los autómatas siguen siendo la robustez y la facilidad de interconectarlos al proceso industrial en cuestión. Y la tendencia actual no es precisamente acercarlos más a las prestaciones de los orFigura 5 Prestaciones CIM Comunicaciones, redes Base de datos, gráficos Visualizadores, impresoras Operaciones aritméticas Sustitución de relés 1970

1980

1990

Año

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Figura 6 Estudio de necesidades

Fases de proyecto de un sistema de control

nología empleada en la preparación de éste siempre apuntan a obtener el máximo aprovechamiento de las prestaciones que nos ofrecen las nuevas tecnologías ya mencionadas.

Variables a controlar

Sistemas de control Entradas y salidas del controlador

Elección de sensores y accionamientos

Algoritmos de control Modificaciones Simulación

Elección de la tecnología

Diseño de Hard y Soft

Implementación

Pruebas

Según se ha indicado en la introducción, el objetivo de un sistema de control es gobernar la respuesta de una planta, sin que el operador intervenga directamente sobre sus elementos de salida. Dicho operador manipula únicamente las magnitudes denominadas de consigna, y el sistema de control se encarga de gobernar dicha salida a través de los accionamientos. De alguna forma, el concepto lleva implícito que el sistema de control opera, en general, con magnitudes de baja potencia llamadas genéricamente señales, y que gobierna unos accionamientos que son los que realmente modulan la potencia entregada a la planta. Estas ideas se reflejan en la figura 7. Figura 7

Energía

Explotación

denadores en cuanto a capacidad de cálculo, sino dotarlos con funciones específicas de control y con canales de comunicación para que puedan conectarse entre sí y con los propios ordenadores. El resultado de tal integración es la red de autómatas conectada a ordenador, capaz de ofrecer las prestaciones y ventajas de ambos mundos; y es que así, en un solo sistema, se concentran todas las funciones de producción asistida por ordenador (CIM). La disponibilidad de estos nuevos elementos y funciones en el campo del control industrial, obliga a replantearse la configuración y los propios métodos de diseño de automatismos. En la figura 6 se especifican los principales pasos a seguir en el desarrollo de un sistema automático de control. A continuación veremos conceptos básicos y métodos para el diseño de un sistema de control, que aunque son independientes de la tec-

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Sistema de control Señales de consigna

Accionamientos

Planta Respuesta

Señales de control

Elementos de señal

Elementos de potencia

Según la definición anterior, el conjunto de sistema de control y accionamientos se limitaría a ser un convertidor amplificador de potencia que ejecuta las órdenes dadas a través de las magnitudes de consigna. Este tipo de sistema de control se denomina en lazo abierto, por el hecho de que no recibe ningún tipo de información sobre el comportamiento de la planta. Lo habitual, sin embargo, es que el sistema de control se encargue de la toma de ciertas decisiones ante determinados comportamientos de la planta. Entonces se habla de sistemas automáticos de control. Para ello se requiere de unos sensores que detecten el comportamiento de di-

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cha planta, y de unas interfaces para adaptar las señales de los mismos a las entradas del sistema de control. En este caso, el diagrama a bloques será como el que se muestra en la figura 8. Estos sistemas se denominan en lazo cerrado, ya que su diagrama muestra claramente una estructura con una cadena directa y un retorno o realimentación, formando un lazo de control. Así pues, en el caso más general, podemos dividir el sistema de control en los siguientes bloques: • • • •

Unidad de control. Accionamientos. Sensores. Interfaces.

Aquí, cabe señalar que el autómata programable funge dentro del sistema de control como unidad de control. Y suele incluir también, totalmente o en partes, las interfaces con las señales de proceso. Al conjunto de señales de consigna y de realimentación que entran a la unidad de control se le denomina genéricamente entrada. Y al conjunto de señales de control obtenidas, se les llama salidas.

Automatismos analógicos y digitales Según la naturaleza de las señales que intervienen en el proceso, los sistemas de control pueden dividirse en los siguientes grupos: • Sistemas analógicos. • Sistemas digitales. • Sistemas híbridos analógico–digitales. Los sistemas analógicos trabajan con señales de tipo continuo, con un margen de variación determinado. Mediante una tensión o corriente proporcionales a su valor (0 a 10 V, 4 a 20 mA, etcétera) dichas señales suelen representar magnitudes físicas del proceso, tales como presión, temperatura y velocidad, entre otras. En cambio, los sistemas digitales trabajan con señales todo o nada, llamadas también binarias, que sólo pueden presentar dos estados o niveles: abierto o cerrado, conduce o no conduce,

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mayor o menor, etcétera. Estos niveles o estados se suelen representar por variables lógicas o bits, cuyo valor puede ser sólo 1 ó 0, empleando la notación binaria del álgebra de Boole. Dentro de los sistemas digitales, cabe distinguir dos grupos: los que trabajan con variables de un solo bit (denominados habitualmente automatismos lógicos) y los que procesan señales de varios bits (para representar, por ejemplo, valores numéricos de variables o contenido de temporizadores, contadores, etcétera). Genéricamente, a estos últimos se les denomina automatismos digitales. Los sistemas de control actuales con un cierto grado de complejidad, y en particular los autómatas programables, son casi siempre híbridos; es decir, sistemas que procesan a la vez señales analógicas y digitales. Pero la tendencia es que la unidad de control sea totalmente digital y se base en un microprocesador, el cual aporta la capacidad de cálculo necesaria para tratar las señales todo o nada en forma de bits y las señales analógicas numéricamente. Y es que muchos de los sensores usualmente empleados suministran señales de tipo analógico-numérico, llamadas comúnmente conversión analógico–digital (A/ D), para que puedan ser tratadas por la unidad de control. También puede necesitarse de señales analógicas de salida, para ciertos indicadores o para control de ciertos servosistemas externos. En tal caso, el sistema de control debe disponer también de interfaces para la conversión digital–analógica (D/A), capaces de suministrar dichas señales a partir de los valores numéricos obtenidos por la unidad de control. Figura 8

Energía

Señales de consigna Entradas

Unidad de control

Interfaces

Salidas Señales de control

Respuesta Accionamientos

Planta

Interfaces

Señales de realimentación Elementos de señal

Elementos de potencia

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En la figura 9 se observa la estructura de la unidad de control, y resaltan las interfaces necesarias para el tratamiento de las señales de entrada y salida comúnmente empleadas en controles industriales.

Componentes y modelos En los automatismos, normalmente encontramos una diversidad de componentes o subsistemas de tipo mecánico-hidráulico, neumático, eléctrico o fisicoquímico. Se trata entonces de sistemas que combinan múltiples tecnologías, lo cual hace necesario un lenguaje común para la coordinación e integración de todas ellas en el sistema. En el nivel físico, la relación entre dichos subsistemas tecnológicamente diversos queda a cargo de los sensores e interfaces. Pero para caracterizar su comportamiento, el diseñador requiere de un modelo independiente de la tecnología, que le permita tratar a todos ellos con una metodología común, sea cual sea su principio tecnológico. El modelo permite tratar a cada componente o subsistema como una “caja negra”, a la que se asocia una función de transferencia que relaciona las magnitudes de salida de interés con las magnitudes de entrada, y que, por lo tanto, permite predecir su comportamiento una vez conocido su estado inicial y las señales de entrada que se aplicaron. Así que este enfoque permitirá tratar cualquier sistema o parte del mismo mediante un diagrama a bloques, mismo que, mediante un simbolismo común, hace posible representar elementos de diversas tecnologías. Y pese a que estos elementos se diferencian unos de otros por su índole, aparecerán como homogéneos para el diseñador. Para que quede claro el concepto de modelo independiente de la tecnología, podemos poner un ejemplo. Para el especialista en relés, el esquema eléctrico de un automatismo es un modelo a partir del cual se puede predecir el comportamiento del sistema ante determinadas entradas. Pero este modelo carece de significado para un especialista en hidráulica o neumática, que a su vez utiliza otro tipo de esquemas.

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Figura 9

Entradas digitales

Entrada analógicas

Salidas digitales 1 2 3 456 78 90 AB C + -

A/D

Unidad de control

82317

D/A M

Salidas analógicas

Mas ambos tienen en común que emplean elementos todo o nada, que pueden representarse con el modelo del álgebra de Boole; y éste sería el modelo independiente de la tecnología que permite tratar ambos tipos de sistemas bajo un mismo punto de vista. En la figura 9 se ilustra este concepto. De forma análoga, los sistemas analógicos pueden tratarse mediante funciones algebraicas continuas que relacionan las magnitudes de salida con las de entrada. Las herramientas matemáticas para el tratamiento de estos sistemas son básicamente la transformada de Laplace (para sistemas analógicos) y la transformada en z (para sistema digitales sometidos a muestreo). Los métodos del álgebra de Boole, la transformada de Laplace y la transformada en z, son útiles matemáticos imprescindibles para abordar el diseño de sistemas de control. Pero no es necesario conocerlos, para comprender el funcionamiento de los autómatas. Este texto está dedicado básicamente al conocimiento de los autómatas, y no pretende profundizar en los métodos de diseño de sistemas de control. Por lo tanto, nos limitaremos a utilizar conceptos básicos.

Automatismos cableados y programables Una de las claves del éxito de los autómatas programables frente a los equipos de relés, e incluso frente a equipos construidos con base en circuitos integrados, ha sido la posibilidad de realizar funciones muy diversas con un mismo equipo (hardware estándar) y cambiando únicamente un programa (software). Atendiendo a

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tabla 1 CARACTERISTICA Flexibilidad de adaptació n al proceso Hardware estándar para distintas aplicaciones

Tabla 2 SISTEMA CABLEADO

AUTOMATA PROGRAMABLE

Baja

Alta

CARACTERISTICA

SISTEMA DE RELÉ S

LÓGICA A MEDIDA

AUTOMATA REGULABLE

Volumen

Alto

Bajo

Bajo

Consumo

Alto

Bajo

Bajo Media

No

Sí

Velocidad

Baja

Alta

Posibilidades de ampliació n

Bajas

Altas

Difícil

Difícil

Fácil

Interconexiones y cableado exterior

Interconexió n de varios procesos

Mucho

Poco

Desgaste

Alto

Bajo

Bajo

Tiempo de desarrollo del proyecto

Largo

Corto

Robustez

Alta

Baja

Baja

Ampliació n

Difícil

Fácil

Posibilidades de modificació n

Difícil

Fácil

Muy difícil

Mantenimiento

Difícil

Fácil

Flexibilidad

Poca

Nula

Alta

Coste por variable interna

Alto

Medio

Bajo

Coste para E/S>15: pequeñ as series Grandes series

Alto Alto

Medio Bajo

Bajo Medio

Personal de mantenimiento especializado

Poco

Mucho

Medio

Stocks de mantenimiento

Bajos

Altos

Medios

Sí Limitada No No No No No Bajo nivel No

Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí No

Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí

Herramientas de prueba

No

Sí

Stocks de mantenimiento

Medios

Bajos

Modificaciones sin parar el proceso ("on line")

No

Sí

Coste para pequeñ as series

Alto

Bajo

Estructuració n en bloques independientes

Difícil

Fácil

este criterio, podemos clasificar los sistemas de control en dos grandes grupos: - Sistemas cableados (poco adaptables). - Sistemas programables (muy adaptables). Los sistemas cableados realizan una función de control fija, que depende de sus propios componentes y de la forma en que éstos se han interconectado. En consecuencia, la única manera de alterar la función de control es modificar sus componentes o la interconexión de los mismos. Por su parte, los sistemas programables pueden realizar distintas funciones de control sin alterar su configuración física, sino sólo cambiando el programa de control. Tratándose aquí de un concepto sobre autómatas programables, estas definiciones deben matizarse un poco más, puesto que, en sentido estricto, cualquier equipo basado en un microprocesador es en principio programable; pero para ello, se requiere de personal altamente especializado y equipos de desarrollo de cierta complejidad. En tal caso, definitivamente, del atributo “programable” se beneficia el fabricante de los equipos, quien supone que para variar dentro de ciertos límites la función de los mismos, es suficiente un hardware estándar. Y dado que nor-

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F U N C I O N E S

Ló gica combinacional Ló gica secuencial Instrucciones aritmé ticas Reguladores Textos Gráficos Comunicaciones Toma decisiones Software

malmente el usuario no puede alterar sus funciones, cree que el equipo es de “programa fijo” o “adaptado a medida”. En el autómata, el atributo “programable” debe interpretarse como “programable por el usuario”. Así, éste obtiene los beneficios de un equipo multifunción con un hardware fijo. La base sigue siendo un equipo con un microprocesador, al cual se ha incorporado un programa intérprete que puede alterar la función de transferencia salida / entrada en razón de un programa de usuario. En realidad, podríamos decir que ésta es la característica más relevante que distingue al autómata programable de otros dispositivos o sistemas programables. En las tablas 1 y 2, hemos resumido las características, ventajas e inconvenientes de los autómatas programables en comparación con los sistemas cableados y con los equipos de programa fijo o “lógica a medida”. CONTINUA EL PROXIMO NUMERO

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