UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA JOS SIMEN CAAS

DESARROLLO DE SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN ORIENTADOS A LA ENSEANZA DEL CONTROL AUTOMTICO EN LA UCA

TRABAJO DE GRADUACIN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURAPARA OPTAR AL GRADO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

POR

CHRISTIAN FERNANDO CASTRO CALDERN JAVIER ALEJANDRO PINEDA SALAZAR

MAYO 2006 SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A.

RECTOR JOS MARIA TOJEIRA, S.J.

SECRETARIO GENERAL REN ALBERTO ZELAYA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA CELINA PREZ RIVERA

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERA ELCTRICA OSCAR VALENCIA

DIRECTOR DEL TRABAJO CSAR VILLALTA

LECTOR OSCAR VALENCIA

Para comenzar gracias a Dios, a mi familia y amigos, por estar siempre conmigo a lo largo de mi carrera. A mi padre porque con su esfuerzo y fuerza de voluntad pudo darme mis estudios. A mi madre por ensearme a no rendirme, a luchar por lo que quiero y a guiarme por el camino de Dios. A Andy por apoyarme en todo momento en mi carrera y por ser un ejemplo para mi vida.

Adems quiero agradecer a mi compaero de este trabajo, Christian por ser organizado y analtico. Agradecimientos a mis compaeros de universidad que estuvieron a mi lado en este camino. En fin, Gracias a todas estas personas por haber estado conmigo y as poder realizar uno de los sueos ms grandes de mi vida.

Javier Pineda.

Primeramente quiero agradecer por este logro a mis padres que siempre me inculcaron el hbito del estudio y me dieron las facilidades para llegar a ser alguien en esta vida, a mis hermanos por haberme abierto caminos en la escuela, universidad y hasta en el trabajo, siendo excelentes ejemplos e inculcando en mi la sana competencia.

Gracias a mis sobrinitos por darme esa alegra al verlos y jugar con ellos, gracias a mi novia por estar ah siempre a lo largo de este camino y por aparecer en mi vida en el momento que ms la necesitaba.

Gracias a mis amigos de infancia y compaeros de carrera, los cuales hicieron este camino ms ameno y fcil y gracias a mi compaero de tesis, sin el cual este trabajo de graduacin no estara completo.

Por ltimo quiero agradecer en especial de todo corazn a ese ser Supremo, al que todo le debo, desde mis xitos a mis fracasos, desde mi miedo hasta mi valor, desde mis virtudes hasta mis defectos, desde mis alegras hasta mis penas en fin

Gracias Diosito

Christian Fernando Castro Caldern

RESUMEN EJECUTIVO El siguiente trabajo de graduacin busca formar un profesional completo en el rea de Control Automtico uniendo la teora de clase con la prctica de los laboratorios, por lo que se elaboraron guas de proyectos, tratando de aprovechar al mximo el equipo con que cuenta la Universidad para beneficio de la preparacin de estudiante.

La tesis entonces se puede dividir en 3 grandes partes:

1. Introduccin Terica

2. Proyectos de Automatizacin

3. Proyectos de Regulacin

En la primera parte se presenta la metodologa a seguir para la elaboracin de proyectos de Control Automtico, haciendo nfasis en teoras y herramientas tan tiles en este tipo de proyectos como el Grafcet y Gemma. Adems se incluye una gua resumida para darle una base al estudiante para aprender a programar los diferentes controladores en diferentes lenguajes como lo son: FUP, KOP y AWL.

La segunda parte consta de 5 guas de proyectos, un proyecto diferente por cada mdulo del banco, donado por Swiss Contact, trabajando independientemente del resto. Lo que se busca con estas guas es el conocimiento del alumno de varios tipos de controladores as como la puesta en prctica de los diferentes lenguajes de programacin, es por eso que 2 proyectos se disearon para ser controlados por un Logo! programado en FUP, otros 2 proyectos controlados por el Simatic S7-200 programado en KOP y un proyecto controlado por el Simatic S7-300 programado en AWL.

La tercera parte consta de 2 proyectos: Control de Velocidad de un Motor

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Control de Temperatura PID

En el proyecto de control de velocidad se desarrolla la regulacin de lazo cerrado de la velocidad de un motor asncrono, independientemente de su carga. Esto se lleva a cabo utilizando el variador de frecuencia Siemens MM440 y un encoder de velocidad. Pero este proyecto no slo se limita a la regulacin de la velocidad, sino que tambin abarca otras funciones del variador como consignas de velocidad fijas, consignas de velocidad variables, suma de consignas, control y proteccin de sobretemperaturas, etc.

Finalmente, en el proyecto titulado control de temperatura, se desarrolla una regulacin de lazo cerrado tipo PID de una planta que consta de agua cuya temperatura se debe controlar. Esto es logra a travs de equipo muy sofisticado como el PLC S7-200, con mdulo RTD (el cual lee la seal de la PT-100 linealizndola y escalendola) y mdulo de salida analgica, una RTD tipo PT-100 como captador, un variador de potencia como pre-actuador y una resistencia calefactora como actuador.

ii

NDICE Pg. RESUMEN EJECUTIVO NDICE NDICE DE FIGURAS NDICE DE TABLAS SIGLAS SIMBOLOGA PRLOGO i iii ix xvii xix xxi xxiii

1. INTRODUCCIN 1.1. Objetivos 1.1.1. Objetivo General. 1.1.2. Objetivos Especficos. 1.1.3 Objetivos parte Micromaster 440. 1.1.4 Objetivos Parte Control de Temperatura. 1.2. Lmites y Alcances. 1.3 Antecedentes. 1.4 Limitantes. 1.5. Historia del Control Automtico. 1.5.1. Autmatas Programables. 1.6. Aparatos de Mando y Sealizacin. 1.6.1. El Pulsador. 1.6.2. Pulsador de Desconexin de Emergencia. 1.6.3. Manetas. 1.6.4. Detectores de Posicin. 1.7. Mtodos de Especificacin Funcional. 1.7.1. Los Sistemas de Control Automatizados. 1.8. GRAFCET. 1.8.1. Definicin y Smbolos. Reglas. 1.8.2. Estructuras de Control. 1.8.3. Coordinacin entre Secuencias de GRAFCET.

1 3 3 3 4 4 5 7 9 11 12 13 13 13 14 14 15 15 16 16 19 21

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1.8.4. Anlisis y Diseo de los modos de Marcha y Paro. 1.9. Procedimiento de Desarrollo y Documentacin. 1.9.1. Fases de un Sistema de Control Secuencial. 1.9.2. Desarrollo de un Automatismo de Control. 1.10. Desarrollo de Sistemas. 1.10.1 Anlisis Funcional. 1.10.2. Aspectos Tcnicos. 1.11. Sistemas Lgicos de Control. 1.11.1. Entradas y Salidas al Sistema de Control. 1.11.2. GRAFCET Tecnolgico. 1.12. Autmata Programable. 1.12.1. Programa de Control. 1.12.2. Diagrama de Conexin al Autmata. 1.13. Programacin en Logo! Sof Comfort en FUP. 1.13.1. Bloques. 1.13.2. Funciones Lgicas. 1.13.3. Funciones Especiales. 1.13.4. Del Esquema Elctrico al Lenguaje FUP. 1.14. Programacin LADDER (KOP). 1.14.1. Elementos Bsicos. 1.14.2. Operaciones Especiales. 1.14.3. Estructura de un Programa en KOP. 1.15. Programa en AWL. 1.15.1. Formato, Tipo y Tamao de Datos. 1.15.2. reas de Memoria y sus Funciones. 1.15.3. Acumuladores. 1.15.4. Operaciones Lgicas con Bits. 1.15.5. Operaciones de Carga y Transferencia. 1.15.6. Lista de Operaciones AWL.

25 31 31 32 42 42 43 45 45 47 48 48 49 53 53 55 56 59 61 61 63 64 68 68 69 71 73 79 82

2. MDULOS LGICOS. 2.1. Estacin 1: Alimentacin. 2.1.1. Metodologa.

87 88 90

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2.1.2. El Mdulo. 2.1.3. Diagrama Neumtico. 2.1.4. Diagrama Elctrico. 2.1.5. Conector Paralelo. 2.1.6. GRAFCET de Primer Nivel. 2.1.7. GRAFCET de Segundo Nivel. 2.1.8. Gua GEMMA. 2.1.9. Marcha y Parada de Emergencia. 2.1.10. Marcha de Finalizacin. 2.1.11. Parada de Fin de Ciclo. 2.1.12. Marcha de Verificacin en Orden. 2.1.13. GRAFCET Definitivo con GEMMA. 2.1.14. Comentarios y Explicacin del GRAFCET. 2.1.15. Tabla de Dispositivos. 2.1.16. Programa. 2.1.17. Diagrama de Conexin. 2.2. Estacin 2: Clasificacin. 2.2.1. Metodologa. 2.2.2. El Mdulo. 2.2.3. Diagrama Neumtico. 2.2.4. Diagrama Elctrico. 2.2.5. Conector Paralelo. 2.2.6. GRAFCET de Primer Nivel. 2.2.7. GRAFCET de Segundo Nivel. 2.2.8. Gua GEMMA. 2.2.9. Marcha y Parada de Emergencia. 2.2.10. Parada en un Punto Intermedio. 2.2.11. Parada de Fin de Ciclo. 2.2.12. Marcha de Verificacin en Orden. 2.2.13. GRAFCET Definitivo con GEMMA. 2.2.14. Comentarios y Explicacin del GRAFCET. 2.2.15. Tabla de Dispositivos. 2.2.16. Programa AWL

92 95 96 97 98 99 100 102 103 104 105 106 107 108 109 111 112 114 117 123 124 125 126 127 128 130 131 131 132 134 135 136 138

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2.2.17. Diagrama de Conexin. 2.3. Estacin 3: Medicin. 2.3.1. Metodologa. 2.3.2. El Mdulo. 2.3.3. Diagrama Neumtico. 2.3.4. Diagrama Elctrico. 2.3.5. Conector Paralelo. 2.3.6. GRAFCET de Primer Nivel. 2.3.7. GRAFCET de Segundo Nivel. 2.3.8. Gua GEMMA. 2.3.9. Marcha y Parada de Emergencia. 2.3.10. Marcha de Finalizacin. 2.3.11. Parada de Fin de Ciclo. 2.3.12. Marcha de Verificacin en Orden. 2.3.13. GRAFCET Definitivo con GEMMA. 2.3.14. Comentarios y Explicacin del GRAFCET. 2.3.15. Tabla de Dispositivos. 2.3.16. Programa en KOP. 2.3.17. Diagrama de Conexin. 2.4. Estacin 4: Taladro. 2.4.1. Metodologa. 2.4.2. El Mdulo. 2.4.3. Diagrama Neumtico. 2.4.4. Diagrama Elctrico. 2.4.5. Conector Paralelo. 2.4.6. GRAFCET de Primer Nivel. 2.4.7. GRAFCET de Segundo Nivel. 2.4.8. Gua GEMMA. 2.4.9. Marcha y Parada de Emergencia. 2.4.10. Marcha de Finalizacin. 2.4.11. Parada de Fin de Ciclo. 2.4.12. Marcha de Verificacin en Orden. 2.4.13. GRAFCET Definitivo con GEMMA.

149 150 154 157 162 163 164 165 167 169 171 172 172 173 175 177 178 180 204 205 208 210 212 213 214 215 217 219 221 222 222 223 225

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2.4.14. Comentarios y Explicacin del GRAFCET. 2.4.15. Tabla de Dispositivos. 2.4.16. Programa en FUP. 2.4.17. Diagrama de Conexin. 2.5. Estacin 5: Verificacin. 2.5.1. Metodologa. 2.5.2. El Mdulo. 2.5.3. Diagrama Neumtico. 2.5.4. Diagrama Elctrico. 2.5.5. Conector Paralelo. 2.5.6. GRAFCET de Primer Nivel. 2.5.7. GRAFCET de Segundo Nivel. 2.5.8. Gua GEMMA. 2.5.9. Marcha y Parada de Emergencia. 2.5.10. Parada en un Punto Intermedio. 2.511. Parada de Fin de Ciclo. 2.5.12. Marcha de Verificacin en Orden. 2.5.13. GRAFCET Definitivo con GEMMA. 2.5.14. Comentarios y Explicacin del GRAFCET. 2.5.15. Tabla de Dispositivos. 2.5.16. Programa. 2.5.17. Diagrama de Conexin.

227 228 229 234 235 237 240 245 246 247 248 250 252 254 255 256 256 258 260 261 262 283

3. REGULACIN. 3.1. Micromaster 440. 3.1.1. Metodologa. 3.1.2. Caractersticas del Micromaster 440. 3.1.3. Parmetros. 3.1.4. Parmetros de Ajuste y de Observacin. 3.1.5. Filtro y Niveles de Parmetros. 3.1.6. Panel de Mandos. 3.1.7. Puesta en Servicio Rpida. 3.1.8. Configuracin de Entradas Digitales.

285 286 287 288 290 290 290 293 298 304

vii

3.1.9. Configuracin del Encoder. 3.1.10. Parametrizacion de Sensor de Temperatura. 3.1.11. Control Vectorial. 3.2. Control de Temperatura. 3.2.1. Metodologa. 3.2.2. El Mdulo. 3.2.3. Regulacin PID. 3.2.4. Implementacin del Lazo PID en el PLC S7-200. 3.2.5. El PLC S7-200 y su Bloque PID. 3.2.6. Elaboracin del Programa. 3.2.7. Descripcin del Programa. 3.2.8. Programa. 3.2.9. Conexiones. 3.2.10. Diagrama de Conexin. 3.2.11. Sintonizacin del Lazo PID.

307 309 314 317 318 320 324 325 327 332 335 336 338 340 341

4. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 4.1. Conclusiones. 4.2. Sugerencias.

353 355 357

ANEXOS GLOSARIO REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFA

viii

NDICE DE FIGURAS

Pg.

Figura 1.1. Sistema de Control. Figura 1.2. Representacin de Etapas. Figura 1.3. Representacin de Acciones. Figura 1.4. Representacin de Transiciones. Figura 1.5. Ejemplo de Secuencias Simultneas. Figura 1.6. Ejemplo de Secuencias Selectivas. Figura 1.7. Ejemplo de Transiciones Selectivas. Figura 1.8. Macroetapas. Figura 1.9. Transiciones con Etapas de Espera. Figura 1.10. Simplificacin de Secuencias Simultneas. Figura 1.11. Supresin de Etapas. Figura 1.12. Diagrama GEMMA. Figura 1.13. Estados de Paro. Figura 1.14. Sistema de Control. Figura 1.15. Anlisis Funcional. Figura 1.16. Circuito Neumtico de Potencia. Figura 1.17. Gua GEMMA. Figura 1.18. Grafcet Tecnolgico. Figura 1.19. Programacin KOP. Figura 1.20. Diagrama de Entradas. Figura 1.21. Diagrama de Salidas. Figura 1.22. Representacin de Bloques en FUP.

15 17 17 18 19 20 21 22 23 23 24 26 27 31 42 44 45 47 49 49 50 53

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Figura 1.23. Entradas. Figura 1.24. Salidas. Figura 1.25. Marcas. Figura 1.26. Marca Inicial. Figura 1.27. Funcin AND. Figura 1.28. Diagrama de Temporizacin para la Funcin AND. Figura 1.29. Funcin OR. Figura 1.30. Funcin NOT. Figura 1.31. Diagrama de Temporizacin rel RS. Figura 1.32. RS. Figura 1.33. Diagrama Temporizacin: Retardo a la Conexin. Figura 1.34. Diagrama Elctrico. Figura 1.35. Conexin Elctrica y Desarrollo del Programa. Figura 1.36. Elemento Lgico AND. Figura 1.37. Programa FUP. Figura 1.38. Elementos Bsicos de KOP. Figura 1.39. Flanco Positivo. Figura 1.40. Comparar. Figura 1.41. Temporizador. Figura 1.42. Contador. Figura 1.43. Diagrama LADDER o KOP. Figura 1.44. Diagrama LADDER para la Funcin M = A(B'+C)D'. Figura 1.45. Autoalimentacin. Figura 1.46. Circuitos LADDER con Autoalimentacin. Figura 1.47. Circuito de Marcha y Paro con Bobinas SET y RESET. Figura 1.48. Formato, Tipo y Tamao de Datos. Figura 1.49. Ejemplo de Direccin del rea de Memoria. Figura 1.50. reas de un Acumulador. Figura 1.51. Funcin Asignar = . Figura 1.52. Activar y Desactivar (Bobinas Set y Reset). Figura 1.53. Evaluacin de Flanco Positivo/Negativo. Figura 1.54. Diagrama de Estado de Flanco Positivo/Negativo. Figura 1.55. Ejemplo de Comparacin con Enteros (I).

53 54 54 54 55 55 56 56 57 58 58 59 60 60 60 62 63 63 63 64 64 65 66 66 67 69 69 72 75 76 76 76 77

x

Figura 1.56. Ejemplo de Comparacin con Doble (D). Figura 1.57. Ejemplo de Comparacin con Reales (R). Figura 1.58. Cuando la Seal de E2.0 sea 1, se Habilitar el Contador. Figura 1.59. Cuando la Seal de E0.1 sea 1, se Habilita el Contador. Figura 1.60. Poner a 0 el Valor Actual del Contador. Figura 1.61. Cargar a Celda de Memoria. Figura 1.62. Transferir Contenidos. Figura 1.63. Temporizadores. Figura 1.64. Tipos de Temporizadores. Figura 2.1.Estacin Alimentacin. Figura 2.2. Mdulo Estacin Alimentacin. Figura 2.3. Diagrama Neumtico Estacin Alimentacin. Figura 2.4. Diagrama Elctrico Estacin Alimentacin. Figura 2.5. Grafcet Primer Nivel Estacin Alimentacin. Figura 2.6. Grafcet Segundo Nivel Estacin Alimentacin. Figura 2.7. Gua GEMMA Estacin Alimentacin. Figura 2.8. Marcha y Parada de Emergencia Estacin Alimentacin. Figura 2.9. Marcha de Finalizacin Estacin Alimentacin. Figura 2.10. Parada de Fin de Ciclo Estacin Alimentacin. Figura 2.11. Marcha de Verificacin en Orden Estacin Alimentacin. Figura 2.12. Grafcet con GEMMA Estacin Alimentacin. Figura 2.13. Programa Estacin Alimentacin. Figura 2.14. Programa Estacin Alimentacin. Figura 2.15. Diagrama de Conexin Estacin Alimentacin. Figura 2.16. Estacin Clasificacin. Figura 2.17. Mdulo Estacin Clasificacin. Figura 2.18. Apiladora y Carrito Estacin Clasificacin. Figura 2.19. Diagrama Neumtico Estacin Clasificacin. Figura 2.20. Diagrama Elctrico Estacin Clasificacin. Figura 2.21. Grafcet Primer Nivel Estacin Clasificacin. Figura 2.22. Grafcet Segundo Nivel Estacin Clasificacin. Figura 2.23. Gua GEMMA Estacin Clasificacin. Figura 2.24. Marcha y Parada de Emergencia Estacin Clasificacin.

77 77 78 78 79 79 79 79 81 88 92 95 96 98 99 101 102 103 104 105 106 109 110 111 112 117 118 123 124 126 127 129 130

xi

Figura 2.25. Parada en un Punto Intermedio Estacin Clasificacin. Figura 2.26. Parada de Fin de Ciclo Estacin Clasificacin. Figura 2.27. Marcha de Verificacin en Orden Estacin Clasificacin. Figura 2.28. Grafcet con GEMMA Estacin Clasificacin. Figura 2.29. Diagrama de Conexin Estacin Clasificacin. Figura 2.30. Estacin Medicin. Figura 2.31. Mdulo Estacin Medicin. Figura 2.32. Mdulo Analgico Estacin Medicin. Figura 2.33. Diagrama Neumtico Estacin Medicin. Figura 2.34. Diagrama Elctrico Estacin Medicin. Figura 2.35. Grafcet Primer Nivel Estacin Medicin. Figura 2.36. Grafcet Primer Nivel Estacin Medicin. Figura 2.37. Grafcet Segundo Nivel Estacin Medicin. Figura 2.38. Grafcet Segundo Nivel Estacin Medicin. Figura 2.39. Gua GEMMA Estacin Medicin. Figura 2.40. Marcha y Parada de Emergencia Estacin Medicin. Figura 2.41. Parada en un Punto Intermedio Estacin Medicin. Figura 2.42. Parada de Fin de Ciclo Estacin Medicin. Figura 2.43. Marcha de Verificacin en Orden Estacin Medicin. Figura 2.44. Grafcet con GEMMA Estacin Medicin. Figura 2.45. Grafcet con GEMMA Estacin Medicin. Figura 2.46. Programa Estacin Medicin. Figura 2.47. Programa Estacin Medicin. Figura 2.48. Programa Estacin Medicin. Figura 2.49. Programa Estacin Medicin. Figura 2.50. Programa Estacin Medicin. Figura 2.51. Programa Estacin Medicin. Figura 2.52. Programa Estacin Medicin. Figura 2.53. Programa Estacin Medicin. Figura 2.54. Programa Estacin Medicin. Figura 2.55. Programa Estacin Medicin. Figura 2.56. Programa Estacin Medicin. Figura 2.57. Programa Estacin Medicin.

131 132 133 134 149 150 157 158 162 163 165 166 167 168 170 171 172 173 174 175 176 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191

xii

Figura 2.58. Programa Estacin Medicin. Figura 2.59. Programa Estacin Medicin. Figura 2.60. Programa Estacin Medicin. Figura 2.61. Programa Estacin Medicin. Figura 2.62. Programa Estacin Medicin. Figura 2.63. Programa Estacin Medicin. Figura 2.64. Programa Estacin Medicin. Figura 2.65. Programa Estacin Medicin. Figura 2.66. Programa Estacin Medicin. Figura 2.67. Programa Estacin Medicin. Figura 2.68. Programa Estacin Medicin. Figura 2.69. Programa Estacin Medicin. Figura 2.70. Diagrama de Conexin Estacin Medicin. Figura 2.71. Estacin Taladro. Figura 2.72. Diagrama Neumtico Estacin Taladro. Figura 2.73. Diagrama Elctrico Estacin Taladro. Figura 2.74. Grafcet Primer Nivel Estacin Taladro. Figura 2.75. Grafcet Primer Nivel Estacin Taladro. Figura 2.76. Grafcet Segundo Nivel Estacin Taladro. Figura 2.77. Grafcet Segundo Nivel Estacin Taladro. Figura 2.78. Gua GEMMA Estacin Taladro. Figura 2.79. Marcha y Parada de Emergencia Estacin Taladro. Figura 2.80. Parada en un Punto Intermedio Estacin Taladro. Figura 2.81. Parada de Fin de Ciclo Estacin Taladro. Figura 2.82. Marcha de Verificacin en Orden Estacin Taladro. Figura 2.83. Grafcet con GEMMA Estacin Taladro. Figura 2.84. Grafcet con GEMMA Estacin Taladro. Figura 2.85. Programa Estacin Taladro. Figura 2.86. Programa Estacin Taladro. Figura 2.87. Programa Estacin Taladro. Figura 2.88. Programa Estacin Taladro. Figura 2.89. Programa Estacin Taladro. Figura 2.90. Diagrama de Conexin Estacin Taladro.

192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 212 213 215 216 217 218 220 221 222 223 224 225 226 229 230 231 232 233 234

xiii

Figura 2.91. Estacin Verificacin. Figura 2.92. Mdulo Analgico Estacin Verificacin. Figura 2.93. Pista y Carrito Estacin Verificacin. Figura 2.94. Diagrama Neumtico Estacin Verificacin. Figura 2.95. Diagrama Elctrico Estacin Verificacin. Figura 2.96. Grafcet Primer Nivel Estacin Verificacin. Figura 2.97. Grafcet Primer Nivel Estacin Verificacin. Figura 2.98. Grafcet Segundo Nivel Estacin Verificacin. Figura 2.99. Grafcet Segundo Nivel Estacin Verificacin. Figura 2.100. Gua GEMMA Estacin Verificacin. Figura 2.101. Marcha y Parada de Emergencia Estacin Verificacin. Figura 2.102. Parada en un Punto Intermedio Estacin Verificacin. Figura 2.103. Parada de Fin de Ciclo Estacin Verificacin. Figura 2.104. Marcha de Verificacin en Orden Estacin Verificacin. Figura 2.105. Grafcet con GEMMA Estacin Verificacin. Figura 2.106. Grafcet con GEMMA Estacin Verificacin. Figura 2.107. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.108. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.109. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.110. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.111. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.112. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.113. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.114. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.115. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.116. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.117. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.118. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.119. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.120. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.121. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.122. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.123. Programa Estacin Verificacin.

235 240 241 245 246 248 249 250 251 253 254 255 256 257 258 259 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278

xiv

Figura 2.124. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.125. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.126. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.127. Programa Estacin Verificacin. Figura 2.128. Diagrama de Conexin Estacin Verificacin. Figura 3.1. Micromaster 440. Figura 3.2. Bornes del Micromaster 440. Figura 3.3. Filtro y Niveles de Parmetros. Figura 3.4. Paneles de Mando. Figura 3.5. Ajuste de Frecuencia. Figura 3.6. Parmetro 100 a una Frecuencia Determinada. Figura 3.7. Configuracin Puesta en Servicio Rpida. Figura 3.8. Configuracin Puesta en Servicio Rpida. Figura 3.9. Configuracin Puesta en Servicio Rpida. Figura 3.10. Configuracin Puesta en Servicio Rpida. Figura 3.11. Configuracin Puesta en Servicio Rpida. Figura 3.12. Conexin del Potencimetro. Figura 3.13. Configuracin Frecuencias Fijas. Figura 3.14. Configuracin Frecuencias Fijas. Figura 3.15. Tipo de Encoder. Figura 3.16. Configuracin Encoder de Velocidad. Figura 3.17. Curva Caracterstica del PTC para Motores 1LG y 1LA. Figura 3.18. Curva Caracterstica del KTY84 para Motores 1LG y 1LA. Figura 3.19. Configuracin Sensor de Temperatura. Figura 3.20. Configuracin Sensor de Temperatura. Figura 3.21. Diagrama Vectorial de Intensidad en Estado Estacionario. Figura 3.22. Regulador Vectorial. Figura 3.23. Configuracin Control Vectorial. Figura 3.24. Mdulo Control de Temperatura. Figura 3.25. Curva de la Pt100. Figura 3.26. Conexin de la Pt100. Figura 3.27. Variador de Potencia. Figura 3.28. Regulacin PID.

279 280 281 282 283 286 289 291 293 296 296 298 299 300 301 302 302 305 306 307 308 310 311 312 313 314 315 316 320 321 322 323 324

xv

Figura 3.29. Implementacin del Lazo PID. Figura 3.30. Discretizacin del Clculo. Figura 3.31. Ciclo del Autmata. Figura 3.32. Trmino Proporcional. Figura 3.33. Trmino Integral. Figura 3.34. Trmino Diferencial. Figura 3.35. Bloque PID. Figura 3.36. Normalizacin de la Entradas PVn y SPn. Figura 3.37. Curva Normalizada. Figura 3.38. Desnormalizacin de la Salida y Excitacin de Salida Analgica. Figura 3.39. Ventana del Lazo PID. Figura 3.40. Asistente de Operacin PID. Figura 3.41. Configuracin PID. Figura 3.42. Programa Control de Temperatura. Figura 3.43. Programa Control de Temperatura. Figura 3.44. Conexin de la RTD al Mdulo. Figura 3.45. Conexin de Canal B con resistencia. Figura 3.46. Diagrama de Conexin Control de Temperatura. Figura 3.47. Prueba de Oscilaciones Sostenidas. Figura 3.48. Perodo de Oscilaciones. Figura 3.49. PID Autosintona. Figura 3.50. PID Avanzado.

325 325 326 326 326 327 327 330 330 331 333 333 334 336 337 338 339 340 342 342 349 349

xvi

NDICE DE TABLAS

Pg.

Tabla 1.1. Tcnicas de Integracin de Fabricacin. Tabla 1.2. Entradas y Salidas del Sistema de Control. Tabla 1.3. Control de Estados. Tabla 1.4. Especificacin de Construccin e Instalacin. Tabla 1.5. Electrovlvulas. Tabla 1.6. Dispositivos y sus Funciones. Tabla 1.7. Variables Entradas y Salidas. Tabla 1.8. Rele RS. Tabla 1.9. Conmutacin Rele RS. Tabla 1.10. Temporizacin: Retardo a la Conexin. Tabla 1.11. Elemento Bsico de LADDER. Tabla 1.12. Numeracin de Entradas y Salidas con Mdulos de Expansin. Tabla 1.13. reas de Memoria y sus Funciones. Tabla 1.14. reas de Memoria y sus reas de Direccionamiento. Tabla 1.15. Segmentacin de los Acumuladores. Tabla 1.16. Funcin Y e YN (AND). Tabla 1.17. Funcin O y ON (OR). Tabla 1.18. Funcin X (XOR). Tabla 1.19. Funcin Y Antes de O. Tabla 1.20. Funcin Y( . Tabla 1.21. Cargar Valores. Tabla 1.22. Lista de Operaciones AWL.

37 38 39 39 43 47 48 57 57 58 62 67 70 71 72 73 73 74 74 75 79 82

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Tabla 1.23. Lista de Operaciones AWL. Tabla 1.24. Lista de Operaciones AWL. Tabla 1.25. Lista de Operaciones AWL. Tabla 2.1. Conector Paralelo Estacin Alimentacin. Tabla 2.2. Entradas y Salidas Estacin Alimentacin. Tabla 2.3. Dispositivos Estacin Alimentacin. Tabla 2.4. Conector Paralelo Estacin Clasificacin. Tabla 2.5. Entradas y Salidas Estacin Clasificacin. Tabla 2.6. Dispositivos de Entrada Estacin Clasificacin. Tabla 2.7. Dispositivos de Salida Estacin Clasificacin. Tabla 2.8. Interruptores de Configuracin del EM 235. Tabla 2.9. Conector Paralelo Estacin Medicin. Tabla 2.10. Entradas y Salidas Estacin Medicin. Tabla 2.11. Dispositivos Estacin Medicin. Tabla 2.12. Conector Paralelo Estacin Taladro. Tabla 2.13. Entradas y Salidas Estacin Taladro. Tabla 2.14. Dispositivos Estacin Taladro. Tabla 2.15. Conector Paralelo Estacin Verificacin. Tabla 2.16. Entradas y Salidas Estacin Verificacin. Tabla 2.17. Dispositivos Estacin Verificacin. Tabla 3.1. Bornes del Micromaster 440. Tabla 3.2. Niveles de Parmetros. Tabla 3.3. Filtro de Parmetros. Tabla 3.4. Panel de Mando. Tabla 3.5. Modificacin de un Parmetro. Tabla 3.6. Modificacin de un Parmetro Indexado. Tabla 3.7. Frecuencias Fijas. Tabla 3.8. Encoder de Velocidad. Tabla 3.9. Sensor KTY84. Tabla 3.10. Bloque PID. Tabla 3.11. Resistencia RTD. Tabla 3.12. Tipo de Controlador. Tabla 3.13. Tabla de Lazo Ampliada.

83 84 85 97 99 108 125 128 136 136 158 164 169 175 211 216 225 244 249 258 285 287 287 290 291 291 301 303 307 324 335 339 342

xviii

SIGLAS

AWL Anweisung Liste, Lista de Comandos. CPU Central Processing Unit, Unidad de Proceso Central. FUP Funktions Plan, Plan de Funcin. GEMMA Guide d'Etude des Modes de Marches et d'Arrts, Gua de Estudio de los Modos de Marchas y Paradas. GRAFCET Graphe de Commande Etape-Transition. KOP Kontakt Plan, Plan de Contactos o Escalera. NA Normalmente Abierto. NC Normalmente Cerrado. PID Proporcional, Integral, Derivativo MM440 Micromaster 440

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xx

Simbologa

xxi

xxii

PrlogoDada la globalizacin del mercado actual y la fuerte competencia que existe a nivel mundial, cada da por ofrecer mejores productos a menores precios. La industria, hoy en da, basa sus procesos en un gran porcentaje en equipos automatizados, los cuales realizan la produccin sin la intervencin humana o con la mnima posible, brindando al proceso una mayor confiabilidad, eficiencia, rapidez, calidad, uniformidad, etc.

Es entonces ah, en ese mundo donde se combina lo elctrico, lo mecnico y lo computacional, donde el Ingeniero Electricista encuentra lugar para desarrollar y poner en prctica todos sus conocimientos adquiridos a lo largo de sus estudios y de su vida. Este mundo es el mundo de la Automatizacin y Regulacin.

Dada la necesidad por parte de todo Ingeniero Electricista, de conocer toda esta tecnologa que gira alrededor de este rubro, se elabor este trabajo de graduacin, tratando de utilizar lo ltimo en tecnologa y evitando en lo posible, utilizar mtodos arcaicos no muy eficientes ni dignos del mercado mundial actual.

Lo que se busca en este trabajo de graduacin es la familiarizacin por parte del estudiante con diferentes equipos como Controladores Lgicos Programables (PLCs) y sus perifricos (variadores de potencia, variadores de frecuencia, captadores lgicos y analgicos, etc.) a travs de su uso e implementacin en pequeos proyectos que servirn para brindarle al estudiante, tanto una idea de todo lo que se puede lograr con todo el equipo que la Universidad posee, como una mejor preparacin para su vida profesional.

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xxiv

CAPTULO 1

INTRODUCCIN

En este captulo se exponen los objetivos generales y especficos que se pretenden alcanzar con el presente trabajo de graduacin. As mismo, se define la terminologa bsica para Control Automtico de Procesos que resulta til y necesario para

comprender y aplicar correctamente la tecnologa de diseo de los sistemas secunciales empleados en la realizacin de este trabajo.

1

2

1.1. Objetivos

1.1.1. Objetivos Generales

El objetivo de este trabajo de graduacin es poder brindarles a los estudiantes de la materia Control Automtico de esta Universidad un conocimiento terico-prctico que vaya mucho ms all de lo aprendido o visto en clase, as como conocer e implementar tecnologas muy tiles y frecuentemente usadas en la industria como los Controladores Lgicos Programables (PLCs), Sensores, Reguladores etc.

Este trabajo es prioritario para la enseanza de la materia Control Automtico y es parte de la lnea de desarrollo estratgico del Departamento de Electrnica e Informtica.

1.1.2. Objetivos Especficos

Objetivos Parte Lgica En esta parte de este trabajo de graduacin se busca la familiarizacin del estudiante con la tecnologa y equipo del Control Automtico o de la Automatizacin por medio de la elaboracin de pequeos proyectos implementando diferentes tipos de controladores como lo son el Logo!, el Simatic S7-200 y el Simatic S7-300, adems de captadores binarios y analgicos as como actuadores binarios.

Tambin se busca en esta seccin de este trabajo de graduacin, dotar al estudiante con la capacidad de programar los PLCs en cada uno de los diferentes lenguajes que existen como lo son el FUP, KOP y AWL, reconociendo en ellos las virtudes y defectos de cada uno, en otras palabras, aprender la facilidad o complejidad que representan cada uno de ellos a la hora de programar y ejecutar funciones especficas.

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1.1.3 Objetivos Parte MM440

Con este proyecto se pretende lograr en el estudiante un conocimiento bsico, pero slido de las funciones y usos de los variadores de frecuencia utilizados ampliamente en la industria en todo tipo de procesos

Otro objetivo buscado es que el estudiante aprenda los diferentes controles que el MM440 es capaz de realizar sobre un motor y los pueda implementar para su uso prctico, incluyendo una regulacin que gobierne la velocidad de un motor asncrono, independientemente de su carga, con la ayuda de un encoder de velocidad.

1.1.4 Objetivos Parte Control de Temperatura

Lograr que el alumno consiga la conjuncin perfecta de los conocimientos obtenidos en clase acerca del Control Automtico Clsico con su uso en la vida real a travs de la implementacin de una regulacin tipo PID (Proporcional, Integral, Derivativa)

Buscar que el alumno se familiarice con tecnologas como RTDs, variadores de potencia microcontrolados y Auto-Sintonizadores para la puesta en marcha de este proyecto en especfico.

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1.2. Lmites y Alcances

En el presente trabajo de graduacin se busca explotar al mximo las funciones y capacidades de los diferentes controladores utilizados, sirviendo como lmite para esto, el grado de complejidad (alto o bajo) del proceso a automatizar.

Sera imposible abarcar y utilizar todas las funciones con las que cuentan los controladores como lo son Logo!, S7-200, S7-300 y MM440, siendo este trabajo de graduacin una muestra de todo lo que se podra lograr con ellos, sembrando en el alumno curiosidad e imaginacin con respecto a cada equipo.

Es por eso, que es responsabilidad del estudiante profundizar e informarse acerca de muchas otras funciones y utilidades que estos equipos tienen y que no fueron explotados en su totalidad en el presente trabajo.

5

6

1.3. Antecedentes El DEI concentra sus esfuerzos en desarrollar el rea de automatizacin y ha recibido importantes donaciones de equipo en esta rea. El proceso de desarrollar estos equipos donados se inici en el ciclo 01-2005 y requiere de continuidad para alcanzar el nivel tecnolgico planificado por el DEI.

Anteriormente se realiz un trabajo de graduacin denominado Automatizacin de un Proceso Industrial, en el cual se trabaj en la integracin de los mdulos donados por Swiss Contact trabajando como una unidad.

En el presente trabajo de graduacin se desarroll cada mdulo por separado (independencia de mdulos) para trabajar con cualquier tipo de controlador que se tenga (Logo!, S7-200, S7-300)

Para los proyectos de Regulacin, no se cuenta con ningn antecedente usando la tecnologa empleada en este trabajo de graduacin, como lo es el variador de frecuencia MM440 con su encoder y el conjunto S7-200 con mdulo RTD, PT-100, variador de potencia microcontrolado y autosintonizador PID.

7

8

1.4. Limitantes Como en muchos trabajos de graduacin, lo que se planea o pretende en un principio, no es siempre posible debido a limitaciones ya sean humanas, tecnolgicas o econmicas. En nuestro caso, las limitaciones fueron de tipo tecnolgicas y fueron las siguientes:

La mayor limitante fue la versin de Firmware con que cuenta el S7-200 que se tiene a disposicin. Esta es una versin 1.2 y por lo tanto no soporta la funcin de autosintona (soportada desde la versin 2.0 en adelante) por lo que la autosintona del lazo PID no se pudo llevar a cabo, sin embargo, se dej todo debidamente explicado y documentado para su futura realizacin, cuando la Universidad adquiera el equipo con el Firmware adecuado.

Tambin hay que mencionar que en algunos mdulos de la parte lgica se tuvieron que obviar salidas de sealizacin por falta de suficientes salidas digitales en el Logo! y el S7-200.

Por ltimo, el controlador S7-300 al no contar con batera para su memoria, no puede guardar el programa de los mdulos si ste es apagado, por lo que es necesario cargarle el programa cada vez que esto suceda (el programa solo queda almacenado en la memoria voltil del PLC).

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1.5. Historia del Control Automtico

Desde el principio de los tiempos el hombre ha buscado maneras de hacer su trabajo mejor, ms fcil y menos tedioso. As los primeros ejemplos de control aparecen desde la antigua Grecia, siendo sus principales exponentes tres mecnicos: Ktesibios, Philon y Hern.

Las primeras tecnologas disponibles para implementar controladores de sistemas de eventos discretos, se basaban en la aplicacin de tecnologas cableadas, lo que se denominaba automatismos cableados. Se utilizaban principalmente las tecnologas neumtica y electromecnica. Continan siendo interesantes para automatismos muy sencillos. Aunque han sido prcticamente sustituidos por autmatas programables, se siguen utilizando alrededor de ellos en particular para realizar los circuitos de seguridad.

Los autmatas programables se introducen por primera vez en la industria en 1960 aproximadamente. Bedford Associates propuso un sistema de control denominado Controlador Digital Modular (Modicon, Modular Digital Controler) al fabricante de automviles General Motors.

Otras compaas propusieron a la vez esquemas basados en ordenador, uno de los cuales estaba basado en el PDP-8. El MODICON 084 result ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente. Las funciones de comunicacin comenzaron a integrarse en los autmatas a partir del ao 1973. El primer bus de comunicaciones fue el Modbus de Modicon. El PLC poda ahora establecer comunicacin e intercambiar informaciones con otros PLC's.

En los 80 se produjo un intento de estandarizacin de las comunicaciones con el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General Motors. Tambin fue un tiempo en el que se redujeron las dimensiones del PLC y se pas a programar con programacin simblica a travs de ordenadores personales en vez de los clsicos terminales de programacin. Hoy da el PLC ms pequeo es del tamao de un simple rel.

11

Desde el punto de vista informtico Los primeros trabajos dedicados al anlisis de estos sistemas no aparecen hasta 1938, cuando Shannon desarrolla el primer anlisis simblico de las propiedades de los circuitos de conmutacin, utilizando como herramienta el lgebra de Boole (que solo es vlida o utilizable para automatismos puramente combinacionales). Los automatismos provistos de una cierta capacidad de memoria, los sistemas secunciales, se empezaron a estudiar a partir de los aos 40. El primer mtodo formal orientado a la sntesis de sistemas secunciales se debe a Huffman. La idea bsica de este mtodo es construir un sistema secuencial a partir de uno combinatorio realimentado. Pero se encuentra con un gran escollo tecnolgico que fcilmente se comprenden al observar que los circuitos combinatorios se modelan mediante lgebra de Boole, y esta no recoge ms que situaciones estticas. El lgebra de Boole no puede modelar la "dinmica" de los sistemas secunciales.

Se realizan muchos esfuerzos para la bsqueda de una solucin; la complejidad que van adquiriendo algunas aplicaciones, sobre todo las desarrolladas en la industria del automvil hacen que los diseadores sean incapaces de dominar completamente el problema, por lo que en el proceso de implantacin de los automatismos se inverta gran cantidad de tiempo en realizar verificaciones que permitan la deteccin de errores.

1.5.1. Autmatas Programables Definicin de autmata programable Entendemos por Autmata Programable, o PLC (Controlador Lgico Programable), toda mquina electrnica, diseada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secunciales y combinacionales. Su manejo y programacin puede ser realizada por personal elctrico o electrnico sin conocimientos informticos. La funcin bsica de los autmatas programables es la de reducir el trabajo del usuario a realizar el programa, es decir, la relacin entre las seales de entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida, puesto que los elementos tradicionales (como rels auxiliares, de enclavamiento, temporizadores, contadores...) son internos.

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1.6. Aparatos de Mando y Sealizacin

Los aparatos de mando y sealizacin son elementos necesarios para la operacin de mquinas y de otras instalaciones tcnicas, por ejemplo, ascensores, portones, rejas, etc. Estos aparatos convierten los comandos humanos en mandos para la mquina y le indican a la persona los estados fsicos de la mquina. Entre los aparatos de mando se encuentran los pulsadores, lmparas de sealizacin, fines de carrera.

1.6.1. El Pulsador

El aparato de mando ms elemental es el pulsador. El pulsador es un elemento que permite el paso o interrupcin de la corriente mientras es accionado. Cuando ya no se acta sobre l vuelve a su posicin de reposo. El pulsador puede ser de contacto normalmente cerrado NC, o con el contacto normalmente abierto NA.

1.6.2. Pulsador de Desconexin de Emergencia

El pulsador hongo es un dispositivo utilizado para la desconexin de emergencia. Existen varios tipos, entre ellos estn:

Pulsador hongo con proteccin contra manipulacin no autorizada y enclavamiento. Se desenclava girando a la izquierda el pulsador hongo

Pulsador

hongo

presin:

traccin

con

accionamiento

por

presin.

Desenclavamiento por traccin. Pulsador hongo, con cerradura de seguridad. Desenclavamiento por medio de llave.

13

1.6.3. Manetas

Existen tambin otros dispositivos llamados manetas que pueden ser utilizados con la misma finalidad y funcin que los pulsadores, pero poseen una distinta configuracin. Estos dispositivos son comnmente fijados en el tablero de control e incluso segn el modelo puede ser fijado en una tableta impresa.

1.6.4. Detectores de Posicin

Finales de carrera Los interruptores de posicin tambin llamados Finales de Carrera, son utilizados para transformar un movimiento mecnico en una seal elctrica. El movimiento mecnico en forma de leva o empujador acta sobre la palanca o pistn de accionamiento del interruptor de posicin haciendo abrir o cerrar un contacto elctrico del interruptor. Esta seal elctrica se utiliza para posicionar, contar, parar o iniciar una secuencia operativa al actuar sobre los elementos de control de la mquina.

Sensores BERO

Los sensores de proximidad BERO son interruptores de posicin sin contacto mecnico que no poseen partes expuestas a desgaste. Este tipo de sensores es adecuado cuando se necesita satisfacer elevados requerimientos de confiabilidad, exactitud en la posicin de medicin, vida til, frecuencia de operacin, velocidad de respuesta, etc.

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1.7. Mtodos de Especificacin Funcional Antes de abordar la construccin de un sistema de control secuencial, se debe analizar el comportamiento de las acciones a realizar. Los movimientos, tambin operaciones, se recopilan por un mtodo grafico, GRAFCET (Grfico de especificaciones de acciones y transiciones). Este mtodo permite no solo la transferencia rpida a instrucciones de programacin en los autmatas programables, sino tambin la realizacin de una documentacin ms inteligible, desde el comienzo del desarrollo de un sistema de control.

Adems, con el mtodo denominado GEMMA, se permite un grfico de estados de marcha y paro de sistemas de control. Un grfico GEMMA es un nivel de coordinacin de varios grficos GRAFCET. 1.7.1 Los Sistemas de Control Automatizados Los sistemas de control se dividen en dos partes fundamentales: Parte de control: Sistemas de mando, o desde la que surgen las rdenes para que el automatismo tome decisiones.

Parte operativa: Se conoce de los elementos que convierten las rdenes y decisiones en las acciones necesarias para la produccin.

Figura 1.1. Sistema de Control.

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Las rdenes para el mando o parte de control se generan tanto por las personas como por rganos que detectan el estado de ciertas partes del sistema de control. En el caso de las rdenes de mando se generan por sistemas que utilizan diferentes tecnologas. Actualmente la tecnologa de control ms difundida es la programada, y ms concretamente la aplicacin de autmatas programables.

1.8. GRAFCET Es un mtodo de especificacin funcional, ste describe la evolucin del proceso que se pretende automatizar, indicando las acciones que hay que realizar sobre el proceso y qu informaciones las provocan; partiendo de l se pueden obtener las secuencias que realizar el autmata, adems permite el diseo estructurado. Su empleo para resolver tareas de automatizacin facilita el dialogo entre personas con niveles de formacin tcnica diferente, tanto en el momento del anlisis en el proceso de automatizar, como posteriormente en el mantenimiento y reparacin de averas. Ser aplicable este mtodo:

El proceso se pueda descomponer en una serie de etapas o estados, que sucedan en forma secuencial. Cada estado tiene asociadas unas acciones sobre la parte operativa. Las seales que proceden del proceso, por medio de los sensores o producidas internamente, controlan la transicin. Las variables asociadas-de entrada, salida e internas al sistema de control- son de tipo discreto, binarias.

1.8.1 Definicin y Smbolos. Reglas Los componentes de los diagramas se definen como: etapas, acciones, transiciones y lneas orientadas. Etapas El estado en el que todo el sistema automatizado es estable o invariable. Las etapas se representan con un cuadrado y con un nmero identificador en su interior. El nmero indica el orden que ocupa la etapa dentro del GRAFCET. Para distinguir el comienzo

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del GRAFCET, la primera etapa se representa con un doble cuadrado. Estas etapas iniciales son las que se activan al iniciarse el algoritmo de control.

Figura 1.2. Representacin de Etapas. Acciones Las acciones que llevan asociadas las etapas se representan con un rectngulo, donde se indica el tipo de accin a realizar, una etapa puede llevar asociadas varias acciones. Adems, las acciones pueden ser condicionales e incondicionales.

Figura 1.3. Representacin de Acciones. Condicionales: Para que se realice debe cumplirse que se active la etapa asociada y adems cierta condicin lgica. -

Incondicionales: se realizan al activarse la etapa a la que estn asociadas.

En una etapa se pueden realizar varias acciones simultneamente. Esto supone que se debe aadir un rectngulo por cada accin, con la etiqueta que los distinga, inscrita en el mismo. Tambin existen acciones vacas o virtuales. Es decir habr etapas que no realicen acciones sobre las salidas.

Transiciones Las transiciones permiten la evolucin del diagrama de control. Cuando se hace verdad, o uno, la ecuacin lgica asociada a la transicin, la etapa que estaba activa se desactiva, y la siguiente se activa. Esta etapa siguiente est unida a la etapa anterior, por medio de una transicin. Las transiciones representan la posibilidad de evolucin de una etapa a la siguiente; esta evolucin se produce al franquear la transicin. El

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franqueamiento de una transicin implica un cambio en la situacin de actividad de las etapas.

Figura 1.4. Representacin de Transiciones. As pues, las condiciones que hacen evolucionar se deben definir con toda claridad, separando las etapas por las que va pasando el sistema. Las condiciones de transicin son variadas.

Lneas Las etapas se unen entre si por medio de lneas. Las lneas incorporan las transiciones, con las condiciones de transicin entre las etapas. Las lneas, adems, indican el sentido del flujo de la evolucin de diagrama. Este sentido es hacia abajo. Reglas En general, se seguirn las siguientes reglas: -

La

funcionalidad

del

sistema

se

descompone

en

una

secuencia

de

etapas. Se asocian una o varias acciones a cada etapa. Las acciones estn activas solo cuando lo estn las etapas correspondientes. Una etapa se activa si lo estaba la inmediatamente anterior- segn el diagrama- y se valida la condicin de la receptividad de la transicin que se encuentra entre las etapas. Si se franquea la transicin, se activa la etapa siguiente y se desactiva la anterior.

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-

La etapa inicial se activa antes del comienzo de ciclo de forma incondicional, al activarse el sistema de control. Un ciclo completo se compone de todas las etapas, de forma que se vuelve a la inicial. Si una etapa se activa y se desactiva al mismo tiempo, quedar activa.

1.8.2. Estructuras de Control Las estructuras se refieren a como pueden surgir diferentes opciones en el flujo de la evolucin del funcionamiento de un proceso, en la secuencia de etapas. Tres son las estructuras: 1. Secuencia Lineal. 2. Secuencias Simultneas. 3. Secuencias Selectivas. Secuencia lineal Una secuencia lineal comienza en la etapa cero y contina hasta la ltima, en la que se vuelve a la etapa inicial.

Secuencias simultneas En las secuencias simultneas desde una etapa y cuando se franquea la transicin comienza dos o ms ramas independientes a su ritmo. Como si se tratara de dos o ms secuencias, que pueden ser a su vez de cualquiera de los tres tipos citados.

Figura 1.5. Ejemplo de Secuencias Simultneas.

El comienzo de las dos secuencias simultneas se produce cuando se cumple la condicin de transicin F1. El final se produce cuando las dos etapas estn activas y se

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cumple la funcin de transicin F5. A este tipo de secuencia tambin se le denomina divergencia en Y. Al finalizar cada una de las lneas de evolucin, se establece una mutua espera. Este tipo de secuencia permite el funcionamiento independiente de partes de automatismo, pero que han de sincronizar su comienzo, y deben finalizar por

completo antes de la continuacin de la evolucin del sistema.

Secuencias selectivas En las secuencias selectivas, a partir de una determinada etapa, hay dos o ms secuencias entre las que se escoger en funcin de las transiciones. No es necesario que las distintas secuencias tengan el mismo nmero de etapas.

Figura 1.6. Ejemplo de Secuencias Selectivas.

La transicin selectiva implica que solo una de las etapas posteriores se activar. Por lo tanto, la condicin de transicin asociada a una de las etapas tiene que ser opuesta a la condicin de transicin asociada de la otra etapa. La primera de las condiciones de transicin que se cumpla desactivar la etapa anterior. El final de dos secuencias selectivas se produce cuando una de las dos condiciones de transicin asociadas se cumplen.

20

Figura 1.7. Ejemplo de Transiciones Selectivas. Otra aplicacin de las secuencias selectivas es la realizacin de saltos de una o ms etapas sin activar las etapas intermedias. Salto que puede ser hacia delante o hacia atrs. El sentido del salto viene indicado por las flechas. 1.8.3. Coordinacin entre Secuencias de GRAFCET Una de las consecuencias de las definiciones del Grafcet es la estructuracin. Es decir, se pueden realizar diferentes secuencias grafcet con sus etapas iniciales y posteriores. Pero en un instante determinado solo un diagrama se encuentra activo: evolucionando. Recordemos que el sistema de control secuencial y las etapas iniciales se activan incondicionalmente. Dos formas de abordar estas situaciones son:

1. Macroetapas. 2. Diagramas Grafcet coordinados. Macroetapas La macroetapa no es una etapa de un GRAFCET ni acta como tal, sino que es una representacin de un GRAFCET parcial (expansin de la macroetapa) que ha de poderse insertar en substitucin de la macroetapa. Una macroetapa est activa cuando lo est una (o ms) de les etapas de su expansin. La etapa que invoca la macroetapa se caracteriza por un smbolo distinto, aunque dentro de un cuadro y numerada.

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Se puede observar un diagrama de secuencia lineal, en el que por dos veces se activa la macroetapa 20. La macroetapa realiza las acciones sobre el cilindro C. La vuelta al diagrama original debe permitir la

continuacin con la etapa siguiente. La expansin de una macroetapa puede contener etapas iniciales, pero ha de ser siempre conexa. La expansin de una macroetapa siempre tendr una sola etapa de entrada y una sola etapa de salida. La etapa de entrada se activar cuando se active la macroetapa. La activacin de la etapa de salida de las implicar la

validacin

transiciones

posteriores a la macroetapa.

Figura 1.8. Macroetapas.

Diagramas Grafcet Coordinados Las macroetapas consisten en la configuracin de una secuencia de grafcet que se repetir cuando se invoque desde diferentes partes de un diagrama funcional, permitiendo as una simplificacin de la escritura. Lo nico, que se debe garantizar es que solo un diagrama evoluciona. La etapa que invoca la macroetapa se caracteriza por un smbolo distinto, aunque dentro de un cuadrado y numerada.

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Simplificacin de Secuencias La simplificacin de diagramas de control llevar a un programa sencillo. Se vern tres ejemplos que mostrarn la reestructuracin del diagrama funcional GRAFCET y se obtendr otro equivalente ms sencillo de interpretar.

Ejemplo 1. Transiciones con etapas de espera.

Este

caso

puede

observarse.

La

transicin asociada a la etapa 2 depende de la etapa 8. Y esta ltima, en su transicin asociada, se encuentra la variable de la etapa 2. Es decir, esta situacin puede representarse como dos secuencias simultneas.

Figura 1.9. Transiciones con Etapas de Espera.

Ejemplo 2. Simplificacin de secuencias simultneas en lineales.

Se puede ver que se trata de una secuencia simultnea, la etapa 5 se activa al mismo tiempo que la 3. Dado que no existe otra etapa posterior a la etapa 5, se pueden asociar sus acciones en una sola etapa y convertir el grfico en otro ms sencillo.

Figura 1.10. Simplificacin Secuencias Simultneas.

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Ejemplo 3. Supresin de etapas en secuencias lineales.

Se puede observar que se ha suprimido la etapa 3, y se ha convertido en otra. En la parte superior: La accin H se mantiene en las etapas 2 y 3. La accin A se realiza solo en la etapa 3. As pues, si la condicin de la transicin se mantiene durante todo el tiempo que dura el estado activo de la etapa 3, se puede convertir en una accin condicional, y ahorrar una etapa.

Figura 1.11.Supresin de Etapas.

Ciclos y modos de funcionamiento

El control de los ciclos de trabajo se refiere a como se pone en marcha el proceso, tras su finalizacin. En general, el control de un sistema por medio de diagramas Grafcet se realiza por un grupo de diagramas coordinados. Los grupos de diagramas Grafcet se describen brevemente: Grafcet de seguridad y emergencias. En el mismo se debe realizar la activacin de una etapa que permite la puesta en servicio en condiciones seguras y de funcionamiento previsto. Es el grafcet de paro y marcha. Seleccin de modos de marcha. Si se deben seleccionar diferentes modos como automtico, ciclo a ciclo, etc.

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Verificacin y ajuste. Un grafcet que permite la realizacin de ajustes, utilizando sobre todo en tareas de puesta en servicio y en las de mantenimiento. Secuencia de produccin normal. Este diagrama resuelve el funcionamiento del proceso y el sistema de control en condiciones normales.

1.8.4. Anlisis y Diseo de los modos de Marcha y Paro. Ante el inicio de sistemas en condiciones normales, el proceso se encuentra en condiciones de empezar, pero si en la mitad del recorrido, sea en la direccin que sea, ocurre un corte de energa, y por ejemplo es el movimiento de una plataforma, el sistema no tiene conocimiento de la posicin que esta lleva. Es por ello que se hace imprescindible el diseo de un grafcet de verificacin y ajuste de las condiciones iniciales, que con lleva:

1. La aparicin de mas entradas- un pulsador para el funcionamiento de esta condicin-se deben de utilizar rganos de mando distintos para rdenes distintas. 2. Si el control de las acciones de inicio se realizan por un sistema cableado, con rels, contactos. Se deben de incorporar ms dispositivos. 3. Adems se tiene que aadir ms programacin. Las etapas que controlen esta situacin se traducen en ms lneas de programa. La idea consiste en analizar la parte operativa de un proceso automatizado, y determinar los estados y transiciones que se producen. En si, lo que se genera es un diagrama de estados y las condiciones que lo hacen evolucionar. Todos estos estados se refieren tanto a los accionadores de un proceso como al conjunto del proceso y las formas de evolucionar de unos estados a otros. Al igual que el GRAFCET, disponemos de etapas, lneas orientadas y condiciones de evolucin y transicin.

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Figura 1.12. Diagrama GEMMA. En general, un proceso puede estar en produccin normal o fuera de produccin. Pero podemos ser ms explcitos e indicar que el proceso se encuentra en una serie de estados que se pueden agrupar en tres: o Estados de Paro (A). o Estados de Funcionamiento (F). o Estados de Fallo (D).

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La evolucin entre estados se puede ver, un automatismo se encuentra en parado en el estado inicial, ya que se realizar lo que se denomina un arranque en fri. Desde A1 y hasta que no se da una orden, no pasa a un estado de funcionamiento.

Figura 1.13. Estados de Paro.

El automatismo sale del estado de funcionamiento, bien por una orden de Paro de ciclo o por una demanda de Paro debida a una situacin de Fallo.

Una parada en un estado cualquiera se considera fuera de produccin. Pero la evolucin desde F1 a A2 o A3, estados de parada, se considera que est finalizando la produccin, antes de realizar una parada. Tras resolver el Fallo causante del paro, se pasa al estado de paro que permite al automatismo, y tras orden manual, pasar al estado de Funcionamiento o Produccin normal. Una situacin de emergencia llevar al automatismo a la activacin del estado que resuelve este evento. Tambin se deben tratar los cortes de energa.

Los estados de funcionamiento Los accionadores pasan por estados para su actuacin. Son los preparatorios, controles o comprobaciones previas o posteriores, etc. Estos comprenden: F1, Produccin Normal, implica el Grafcet principal. Es el estado en el que la mquina produce normalmente, es decir hace la tarea para la que ha sido concebida.

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F2, Preparacin para la Marcha, corresponde a la preparacin de la mquina para el funcionamiento (precalentamiento, preparacin de componentes, etc.). F3, Finalizacin de Marcha, puede ser necesario segn las variantes de un mismo proceso. Corresponde a la fase de vaciado o limpieza que muchas mquinas han de realizar antes de parar o de cambiar algunas caractersticas del producto. F4, Verificacin de Marcha en Desorden o Aleatoria, verificacin aislada de movimientos o parte de movimientos del proceso, sin respetar el orden o secuencia habitual, generalmente se realiza sin materias o productos, por cuestiones de seguridad. Dado que la marcha es en desorden no puede considerarse nunca como produccin. F5, Verificacin de Marcha en Secuencia, en este caso la mquina realiza el ciclo completo de funcionamiento, paso a paso e incluso ejecutar etapa por etapa en orden pero al ritmo fijado por el operador. Con productos o en vaci. Se usa para tareas de mantenimiento y verificacin. F6, Marcha de Ajuste, permite realizar las operaciones de ajuste o ejecucin de ciertas operaciones de mantenimiento.

Los estados de Paro Incluyen las paradas y las marchas que conducen a realizar una parada. A1, Paro en estado de reposo o inicial, suele corresponder con etapas iniciales de Grafcet, se representa con doble retrazo. Desde aqu se pueden dar las rdenes de arranque de ciclo, en el modo de marcha que se haya estimado.

A2, Solicitud de Paro al final del ciclo, la mquina continua hasta detenerse,es un estado transitorio hasta el estado inicial de paro A1.

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A3, Solicitud de Paro en un estado determinado, es un estado transitorio en el que la mquina, estaba produciendo normalmente, debe producir slo hasta llegar a un punto del ciclo diferente del estado inicial.

A4, Paro en Estado no inicial, maquina detenida en un estado distinto delinicial y del final, no se considera dentro de produccin. A5, Prepara para reanudacin tras Fallo, en este estado se realizan las operaciones para una nueva puesta en marcha. A6, Inicio de los accionamientos o Parte Operativa, acciones para efectuar un arranque en caliente desde condiciones iniciales, la parte operativa se posiciona en su estado inicial, es un estado transitorio hacia A1.

A7, Prepara el posicionado de la parte operativa, en este estado se realizanlas operaciones para un arranque en caliente desde unas condiciones cualesquiera, distintas de las iniciales.

Estados de fallo Todos aquellos estados de paro por fallo de los accionadores o de una marcha en condiciones anormales, son:

D1, Parada por seal de Emergencia, debe actuar lo ms rpido posible, genera las acciones que sean necesarias para garantizar el buen estado de los bienes y la seguridad humana.

D2, Evaluacin y tratamiento del fallo, acciones a ejecutar el origen del fallo.

D3, Produccin con fallo, Corresponde a aquellos casos en los que se debe continuar produciendo a pesar de que el sistema no trabaja correctamente.

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Solo D3 es un estado vlido para pertenecer al grupo de produccin. El resto, D1 y d2, suponen que el automatismo ha abandonado la produccin.

Algunas evoluciones posibles Las evoluciones posibles son muy variadas entre algunas tenemos: Para el inicio del automatismo, esto debe producir la activacin de A1. si no puede ser, se transita a F4, donde se verifican las condiciones iniciales. Si se requiere actuar en la parte operativa de F4 se transita a A6, donde se efectan la iniciacin de la parte operativa, si las condiciones son correctas.

Si pulsamos paro de ciclo, con el automatismo en F1, el sistema realiza el ltimo ciclo, pasa desde F1 a A2. En A2 se realiza el ltimo ciclo y las condiciones de finalizacin, que suelen llevar a las condiciones iniciales, es decir a A1.

Paro de la produccin en un punto determinado, esto supone a realizar el ciclo F1-A3-A4. Despus, cuando se considere oportuno, y por medio de una orden de mando, el sistema vuelve a F1 desde A4.

Realizar una verificacin en cualquier punto, Pasar a F4, F5 o F6 desde F1, supone que los elementos accionadores quedan a disposicin del operador. Deber observar el tipo de ciclo y si habr que realizar una evolucin por el camino F1-A2A11-F4 o F5, o bien si se puede realizar la evolucin directamente desde F1. Fallos que se puedan tratar sin necesidad de parar el automatismo, que es el objeto de D3, as podra realizarse el camino F1-D3-F1. Pero si se deben recomponer las situaciones de la produccin, se deber parar el sistema para reponer el fallo. La parada de emergencia, se activa desde cualquier estado, sea del grupo que sea. Si se est verificando en F4 o bien evaluando un fallo, se debe poder activar la parada de emergencia por seales de elementos como pulsadores, contactos de

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componentes homologados de emergencia, o bien porque se activan elementos que indican el comportamiento peligroso de los accionadores o la cada de medidas de seguridad.

1.9. Procedimiento de Desarrollo y Documentacin En la gestin y desarrollo de un sistema automtico se aplica lo que se puede denominarse las estrategias de elaboracin y desarrollo de proyectos, con esto se pretende que se pueda abordar en la coordinacin de tareas tan dispares como el diseo, esquemas, programas, etc. 1.9.1. Fases de un Sistema de Control Secuencial El sistema de control por medio de su parte de control, toma las decisiones para influir sobre la parte operativa. El sistema o parte de control toma esas decisiones por medio de ecuaciones lgicas. Una de las variables que tienen en cuenta es el estado inmediatamente anterior. Estas ecuaciones lgicas pueden estar realizadas por medio de contactos elctricos y dispositivos fluiditos.

Figura 1.14. Sistema de Control. Los sistemas realizan la lgica de control por medio de seales de entrada e influyen sobre el proceso controlado por medio de seales y dispositivos que se consideran de salida. Las seales de los sensores salen desde la mquina o proceso a la parte de control adems, los rganos de accionamientos de los operadores de trabajo se reciben de las pantallas y cuadros de mando. Tambin podemos encontrar seales de los dispositivos remotos, estos configuran el grupo de entrada a la parte de control.

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Las seales de la parte operativa salen de la parte de control a la parte operativa y de sta a la mquina o proceso. Son los elementos que actan sobre motores y cilindros, principalmente. Los dispositivos tambin son conocidos: reles, vlvulas, distribuidores, etc. 1.9.2. Desarrollo de un Automatismo de Control Aspectos de gestin y criterios de desarrollo Ante el desarrollo de un automatismo de control secuencial, se deben de ordenar las tareas a ejecutar. Con las metodologas de la gestin de proyectos, podemos descomponer en tareas las fases que se nos presenten, dependiendo de las mismas podremos establecer: La secuencia de las mismas. Determinar la necesidad de ordenacin, debido a que el resultado de una fase es imprescindible para la siguiente. Por otro lado, qu fases o tareas pueden solaparse, permitiendo ahorro de recursos. Las fases del desarrollo consisten en redactar las actividades a realizar y ordenarlas en el tiempo, stas se pueden desglosar: 1. Anlisis Funcional, se trata de describir los aspectos del funcionamiento del sistema a controlar, para establecer los bloques del sistema de control.

2. Anlisis Tcnico y Econmico, desglosamos las necesidades de cada bloque decontrol, podemos establecer los componentes necesarios.

3. Desarrollo del sistema, instalacin y programas. Si se acepta el presupuesto, comienza el desarrollo. ste se divide en tres grupos: construccin, instalaciones y sistemas programados.

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4. Verificacin y Pruebas de integracin.

5. Documentacin. Todo se refleja en la memoria del sistema. 6. Entrega.Se puede observar que el desarrollo de un proceso de control automtico tiene aspectos secunciales, ya que ste sigue un orden para su realizacin.

Aspectos tcnicos Al tratarse de un desarrollo que hace evolucionar todos los aspectos del diseo y construccin, se van aplicando lo esquemas, programas y lista de materiales, a medida que vaya realizando las distintas fases. Se tiene que tener en cuenta dos aspectos fundamentales en el ciclo de vida automtico y estos son la seguridad y el mantenimiento. La seguridad, se refiere tanto a las medidas de proteccin de las instalaciones elctricas, como a la previsin de medidas que aseguren a las cosas y personas ante posibles atoramientos, golpes y cualquier tipo de accidente que puedan sufrir.

El mantenimiento, puede aparecer de distintas formas en las fases del desarrollo. Las tres fases del mantenimiento: -

Correctivo, intervencin para corregir un mal funcionamiento, es el menosdeseado.

-

Preventido, relacionado con la fatiga de los materiales, con el paso del tiempo.Llegado a un tiempo de funcionamiento, se sustituyen componentes.

-

Predictivo, establecer sistemas de medida de variables del proceso, para establecerplanes de intervencin-predecir-antes de obligar a realizar paradas de produccin no deseadas.

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Aspectos tcnicos y econmicos A) Parte operativa. Se definen las caractersticas de los dispositivos y elementos preaccionadores y accionadores de la parte operativa, anlisis de necesidades, cargas y energa. o Cul tecnologa se ha decidido utilizar? o Tipo de accionamiento? Para tener en cuenta en la seleccin. o Accionador y pre-accionador. o Requisitos que deben cumplir los accionadores y pre-accionadores. o Cargas que se producen. o Necesidades de instalacin de los accionadores y pre-accionadores. B) Parte de control. Habr que decidir: o Definir los sensores necesarios: funcin y tipo. o Caractersticas de los sensores. C) Otros dispositivos y su integracin: o Revisan y se deciden las caractersticas. Accionadores: convertidores de frecuencia, rels estticos, cilindros especiales, etc. o Parte de control: controladores, necesidad de explotacin de datos y sistemas de comunicacin industrial. D) Opcin tecnolgica del mando o parte de control. Revisin del plan de calidad. o Parte de control con las tecnologas discretas: elctrica, neumtica, hidrulica. Nmero de dispositivos, necesidades de instalacin. o Parte de control con la opcin programada. Posibilidades de interaccin con todos los anteriores. Fiabilidad de la programacin y grado de adaptacin con el resto de componentes. E) Completar y Presupuesto. o Revisar el plan de calidad y contrastar caractersticas de elementos. o Estimacin de costes de personal, instalacin y programacin. o Presupuesto global. o Redaccin de presupuesto-contrato.

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Verificacin y pruebas Verificacin de fallos funcionales en cada uno de los modos de operacin, incluso las secuencias acciones de cada paso: 1. Puesta en marcha inicial. Anotar procedimientos realizados e incidencias. 2. Verificacin del modo manual. Parada de emergencia. 3. Paso de manual a automtico, si lo hay. 4. Parada de emergencia desde automtico. 5. Fallos de alimentacin de cada una de las energas. 6. Rutinas y procedimientos de mantenimiento. Es fcil que se tenga que realizar algunos de los puntos para facilitar que el sistema de mando realiza sobre las mquinas la secuencia de movimientos que se haba propuesto. Indudablemente, los fallos sern registrados y modificados.

Documentacin La documentacin que se entrega depende del contrato. En general, la documentacin inicial es el presupuesto o estudio tcnico-econmico. Cuando se acepta el contrato, lo que se formaliza es la memoria del sistema, esta memoria es resultado de las distintas fases del desarrollo. Entrega En este caso se deber generar la documentacin para el transporte y la puesta en servicio. Se contemplar: o Precauciones para el transporte. o Condiciones de movimiento, desplazamiento y reposos. o Procedimientos de puesta en servicio tras el trasporte. Documentacin: la memoria descriptiva Cuando finaliza un proyecto y se entrega al cliente, se debe acompaar la informacin que permita la: Instalacin y puesta en servicio. Utilizacin en condiciones ptimas y de seguridad, de todos los sistemas que se incorporan el proyecto.

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Realizacin de tareas de mantenimiento y mejora, modificacin, aadidura de sistemas de tecnologa evolucionada. Las partes de que constar la memoria descriptiva son: 1. Ttulo o Nombre. 2. ndice General. 3. Introduccin. 4. Integracin, Funciones y Objetivos del Sistema de Control. 5. Interfaz Hombre-Mquina. 6. Entradas y Salidas del Sistema de Control. 7. Diagramas de Control de Estados. 8. El Sistema de Mando Programado. 9. Especificaciones de Construccin e Instalacin. 10. Manual del Sistema. 11. Terminologa Especfica. 12. Referencias o Fuentes de Informacin. 13. Manuales de los Dispositivos Incorporados. La memoria descriptiva que se entrega al cliente forma parte del achivo de la oficina tcnica, esta documentacin se va realizando a medida que se van finalizando las fases de diseo, construccin y puesta de servicio. Ttulo o Nombre Se trata del nombre que acompaa a nuestro producto. Se genera un cdigo para su archivo. El archivo puede ser fsico o en un sistema de gestin de base de datos.

ndice General En este ndice se recojen los apartados que componen la memoria descriptiva. Despus, cada apartado ser acompaado de un ndice mas denso.

Introduccin Como una descripcin del sistema global: proceso a controlar y sistema de control. En este caso se tiene en cuenta que se trata de introducir al lector de esta memoria en lo que tiene entre manos.

Integracin, Funciones y Objetivos del Sistema de Control El sistema puede ser muy simple o muy complejo, as pues, se indicarn: o Las tcnicas de integracin del sistema de control.

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o La funcin del sistema en el entorno en el que implantar. o Diferentes secciones agrupadas por la funcin del proceso controlado. Tras describir las funciones del proceso controlado, realizaremos la descripcin de la especificacin, con precisin, de todas y cada una de las funciones del sistema de control.

Tabla 1.1. Tcnicas de Integracin de Fabricacin Interfaz Hombre Mquina Se describen las funciones y requisitos que se exigirn para componer los sistemas de interfaz hombre-mquina. Se distinguirn: o o o o Indicadores. Acsticos, pilotos y batizas de sealizacin Pulsadores. Conmutadores. Sistemas interactivos como pantallas grficas de operario, pantallas de mensaje de texto con teclados, etc.

De cada uno de ellos se debe de realizar una descripcin indicando: a. Tipo/nombre. b. Funcin o funciones en el sistema, integrando todas las caractersticas de control. c. Cdigo para referencias o etiquetas. d. Caractersticas. e. Programas de configuracin, datos, etc. f. Instalacin y los terminales para su conexin. g. Sistema de comunicacin (si lo hay). h. Ubicacin.

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Entradas y salidas del sistema de control En este apartado se recogen todas las entradas al sistema de control. Tambin todas las salidas a los pre-accionadores y accionadores. Adems se identifican cada uno de ellos:

1. Accionadores, tendremos identificados los elementos que realizan los movimientos y las acciones en el proceso a controlar. 2. Listado definitivo de Pre-accionadores. Entre ellos y bien identificados: contactores, electrovlvulas, distribuidores neumticos o hidrulicos, etc. 3. Listado definitivo de Sensores. Algunos sern aadidos por la necesidad de facilitar el control. En general interesa la naturaleza de la deteccin y sobre todo la adaptacin elctrica al sistema de control.

Tabla 1.2. Entradas y Salidas del Sistema de Control. Diagrama de control de estados Se ilustrarn con un grfico de estados de marcha, paro y fallo, como GEMMA. En este grfico debemos identificar cada uno de los estados y despus describimos cada uno de los estados por los que pasa el sistema de mando. Es mas, debemos de indicar con claridad las condiciones que hacen evolucionar al sistema de un estado a otro.

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Tabla 1.3. Control de Estados.

El sistema de mando programado Aqu se aglutina la documentacin generada sobre el sistema de control programado. Entenderemos que existe un autmata programable; sin embargo puede que existan diferentes elementos de control, la existencia de mas elementos de control se desarrollar segn criterio de las secciones del proceso a controlar. Especificacin de construccin e instalacin Es este sentido se deben de aadir todos los planos y esquemas de sistemas de control. Los que se instalan en campo y los que se ubican en el armario de control. Las etiquetas de los dispositivos de campo se correspondern con las generadas con el listado de accionadores, pre-accionadores y sensores. Se incluirn tres tipos de planos y cada uno de ellos ir precedido de lo siguiente:

Tabla 1.4. Especificacin de Construccin e Instalacin. Manuales del sistema En el manual de usuario se deben recoger todos aquellos aspectos que se consideren necesarios para que los distintos perfiles de personas puedan manipular el sistema de

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control. Esta manipulacin debe realizarse sin causar daos, lo que implica una cuidadosa redaccin y descripcin de todo el contenido. Estos manuales es conveniente prepararlos tras las pruebas y verificaciones en las que se hayan manifestado comportamientos peligrosos. Diferentes perfiles de personas pueden abordar el manual. En general: o Operario, persona en produccin, usuario potencial de todo el sistema completo.

o Mantenimiento, tcnico cualificado, realiza las actuaciones que contiene los planes de mantenimiento. Tambin participa en la elaboracin de mejoras.

o Oficina tcnica, tcnicos de desarrollo, preparan los trabajos a realizar junto con los tcnicos de mantenimiento y operarios. Otro aspecto a tener en cuenta es que nuestro trabajo puede realizarse en grupo. Esto ocurre si la mquina o proceso controlado es de gran complejidad de acciones y movimientos. Con los compaeros, en general se deber acordar los aspectos ms importantes del manual que no se contemple.

Terminologa especfica En este caso incluiremos referencias de trminos que permitan la interpretacin que pretendemos en el momento de la redaccin. No se trata de un diccionario, sino de aclarar en qu contexto se utilizan las palabras, de las que pueden sugerir diferentes interpretaciones. Referencias o fuentes de informacin Las fuentes de informacin son variadas. Es necesario indicarlas para ofrecer mayor consistencia a las decisiones que se hayan tomado en el diseo. Podemos encontrar en: Propia experiencia, contrastada en proyectos anteriores. Bibliografa tcnica, editorial o publicaciones peridicas.

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Internet. Manuales de referencia de los fabricantes. Tanto de sistemas automticos como de sistemas de fabricacin mecnica.

Manuales de los dispositivos incorporados Con la compra de los dispositivos obtendremos los manuales. Todos los manuales de los elementos y dispositivos incorporados en el sistema automtico sern entregados al usuario final. Los manuales debern formar parte de la informacin tcnica disponible para los tcnicos de mantenimiento y de oficina tcnica. Tngase en cuenta que las modificaciones futuras se harn sobre los autmatas programables y controladores disponibles. La falta de fuente de informacin hace depender en exceso de la firma comercial.

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1.10. Desarrollo de Sistemas

Despus de haber estudiado los mtodos auxiliares para disear e implementar un automatismo como lo son el GRAFCET y el GEMMA, nos disponemos a elaborar una gua completa para el desarrollo de un sistema de automatizacin. Bajo esta gua se rigen los proyectos realizados en este trabajo de graduacin.

Dada una planta o un proceso para automatizar, debemos seguir los siguientes pasos o desarrollar los siguientes tpicos, con el fin de asegurarnos un proyecto exitoso y lo mas profesional posible.

1.10.1. Anlisis Funcional

Cuando se tiene una planta para automatizar, debe realizarse primeramente un anlisis exhaustivo del proceso a seguir, revisar y repasar su secuencia as como sus especificaciones y

exigencias. Este anlisis es muy til, ya que nos da la idea de las limitaciones y alcances del proyecto, as como del equipo preaccionadores, (controlador, accionadores)

necesario para desarrollar dicho proyecto. Una vez hecho este anlisis, se tiene entonces una idea bastante buena de todas las acciones a realizar, de todas las condiciones que las rigen y de los tiempos en que estas se llevan a cabo. Figura 1.15. Anlisis Funcional.

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Entonces, nos encontramos listos para realizar nuestro primer Grafcet, es decir, el Grafcet funcional, que describe el funcionamiento de la planta en modo de produccin normal sin incluir GEMMA.

1.10.2. Aspectos Tcnicos

Una vez realizado el GRAFCET funcional, nos damos a la tarea de estudiar los accionadores y preaccionadores que utilizaremos para nuestro proyecto. Es de suma importancia conocer todas las especificaciones de los mismos para asegurar su ptimo funcionamiento.

Banco Neumtico/Hidrulico Si la planta funciona con banco neumtico/hidrulico deben conocerse especificaciones como: l l l Presin de Servicio Consumo de Aire/Aceite de cada dispositivo Longitud y dimetro de la tubera

Cilindros neumticos/hidrulicos Es de mucho inters conocer el tipo de cilindro que se va a manejar (simple accin/doble accin/regreso por resorte), sus medidas (dimetro, longitud de vstagos), el tipo de electrovlvula que los controla, etc.

Electrovlvulas Es muy importante conocer el tipo de electrovlvula que se est por utilizando resorte), el

(vas/posiciones/regreso

consumo de potencia de cada electrovlvula, su voltaje de trabajo, su conexin

(alimentacin), etc. Tabla 1.5. Electrovlvulas

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Sensores y Finales de Carrera Se necesita conocer toda la informacin posible de los sensores y finales de carrera, como conexiones, voltaje de alimentacin, tiempo de conmutacin, tipo de sensor, etc. Una vez conocida toda esta informacin, podemos determinar cuales sensores se adaptan mejor para cada una de las etapas del proceso a automatizar.

Controladores Tambin, se debe conocer el controlador a utilizar (o en caso de poder escoger, conocer sus especificaciones y elegir el que mejor se adapte a nuestras necesidades sin perder de vista el aspecto econmico), su alimentacin, nmero de entradas y salidas, protecciones, etc.

Instalacin de Potencia Si se trabaja con un banco neumtico de actuadores, no puede faltar bajo ninguna circunstancia, el circuito neumtico de la instalacin, ya que este nos da una mejor idea de las conexiones de las electrovlvulas y de la cantidad de salidas del PLC que manejar cada actuador.

Figura 1.16. Circuito Neumtico de Potencia.

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Es recomendable agregar a este circuito unos breves comentarios o descripciones de las posiciones de las electrovlvulas, en caso de estar energizadas o desenergizadas.

1.11. Sistema Lgico de Control

Con el GRAFCET funcional, tenemos una descripcin bastante buena de lo que la planta realiza, pero nos hace falta tomar en cuenta, que la planta no estar siempre en modo de funcionamiento normal, sino que sta puede encontrarse en (y moverse a) otros estados (Parada de Emergencia, Paro de fin de ciclo, Marcha, etc.), que son contemplados por GEMMA.

Debemos seleccionar de la gua de GEMMA cuales de estos estados son posibles para nuestra planta y de estos posibles, necesarios cuales para su son buen

funcionamiento.

Figura 1.17. Gua GEMMA

Una vez seleccionados los estados (de la gua GEMMA) dentro los cuales se mover nuestro proceso, identificamos las condiciones necesarias para realizar dichos movimientos de estado.

1.11.1. Entradas y Salidas al Sistema de Control

Con toda la informacin recopilada hasta ahora y con la ayuda del grfico GEMMA desarrollado anteriormente, podemos establecer claramente qu salidas hacia el proceso necesitamos y qu sensores o mandos (botoneras, interruptores) hacen falta para detectar todas las situaciones planteadas.

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Entradas

Detectores, finales de carrera. Los detectores los identificamos (etiquetamos) con la letra B y con su nmero respectivo (ejem. B00, B01, etc.). Los finales de carrera los identificamos (etiquetamos) con la letra S y con su nmero respectivo (ejem. S00, S01, etc.).

Auxiliares de Mando Son todos los pulsadores, interruptores y manetas que sirven para controlar la planta. Se identifican con la letra S y con su nmero respectivo. (ejem. S05, S06)

Salidas

Salidas hacia el proceso Electrovlvulas, Reles. Se identifican con la letra Y y K respectivamente y con su nmero respectivo. (ejem. Y05, Y06, K07). En caso de paro de emergencia, estas salidas deben deshabilitarse tanto por hardware como por software si son peligrosas.

Sealizacin Indicadores luminosos o displays que nos indican el estado de la planta o proceso en particular. Se identifican con la letra H y con su nmero respectivo. (ejem. H00, H01). En caso de emergencia, estas salidas no deben deshabilitarse ni por hardware ni por software. Con toda esta informacin, es recomendable elaborar una tabla que contenga la etiqueta (identificacin) de cada dispositivo, dispositivos y sus funciones.

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Tabla 1.6. Dispositivos y sus Funciones.

1.11.2. Grafcet Tecnolgico

Una vez establecidas las entradas y salidas del sistema de mando, podemos realizar los diferentes Grafcets de los estados GEMMA que lo requieran. Esta vez, el grafcet a realizar deber tener en lugar de los nombres de cada dispositivo, su respectiva etiqueta. Adems, este Grafcet deber contemplar los diferentes estados de GEMMA y las condiciones para moverse dentro de los mismos.

Figura 1.18. Grafcet Tecnolgico.

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1.12. Autmata Programable

Con el Grafcet tecnolgico terminado y conociendo el nmero de entradas y salidas necesarias, se escoge (si es posible) el autmata que mejor se adapte a las necesidades.

Una vez identificado el Autmata a utilizar, debe verificarse si es necesario un mdulo de expansin para el mismo.

Luego, se le asigna a cada variable de entrada y salida una direccin Virtual dentro del programa que maneja el autmata, as como a cada etapa registros de temporizadores y contadores, y direcciones virtuales.

Con todo esta informacin, es recomendable elaborar una tabla que contenga la etiqueta (identificacin) de cada dispositivo,

dispositivo y su direccin virtual, as como una tabla de las direcciones virtuales asignadas a cada etapa, a cada registro de temporizador y a cada registro de contador.

Tabla 1.7. Variables Entradas y Salidas

1.12.1. Programa de Control

Ahora, se realiza un nuevo programa de control. Dependiendo del Autmata escogido, as ser el ensamblador a utilizar y el tipo de lenguaje para la programacin del mismo.

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Este puede ser:

FUP KOP AWL

Figura 1.19. Programacin KOP.

Las guas bsicas de programacin en los diferentes lenguajes para la elaboracin de automatismos, se encuentran muy bien detalladas en la siguiente seccin de este trabajo de graduacin.

1.12.2. Diagramas de conexin al Autmata

Una vez terminado el programa, se realiza el diagrama de conexin de todas las entradas, salidas, lneas de alimentacin y protecciones al Autmata. Adems del diagrama, se recomienda hacer un breve comentario para esclarecer posibles dudas acerca de la conexin de los diferentes dispositivos.

Figura 1.20. Diagrama de Entradas

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Figura 1.21. Diagrama de Salidas

Verificaciones y Pruebas El arranque del sistema de control debe realizarse de tal forma que permita detectar errores como: mal cableado, mal funcionamiento de dispositivos y errores de programacin. Para ello se deben seguir los procedimientos que se detallan a

continuacin. Estas verificaciones deben realizarse una a una con el fin de descartar las diferentes causas de error o fallas.

Inicializacin y Prueba del PLC Antes de conectar las entradas y salidas al PLC se hace lo siguiente: l Alimentar PLC. l Medir tensiones en lneas de alimentacin. l Encender PLC. l Confeccionar un programa de prueba simple y transferirlo al PLC. l Poner en modo Run al PLC y comprobar que no se bloquea.

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Comprobacin de Entradas y Salidas

Si el PLC no se bloquea con el programa de prueba, se comprueba entonces, las entradas y salidas del mismo. Para comprobarlas se realiza lo siguiente: l Confeccionar y transferir un programa de prueba simple para la verificacin de entradas y activacin de salidas. l Conectar un pulsador al PLC para simular las entradas. l Poner en modo Run el PLC y comprobar visualmente con los Leds del PLC, si efectivamente lee las entradas y setea las salidas.

Comprobacin del Programa de Mando

Cuando se comprueba que las salidas y entradas del PLC funcionan correctamente, descartamos errores a causa del PLC, entonces se realizan los siguientes pasos: l Transferir el programa de aplicacin al PLC. l Conectar un/varios pulsador(es) al PLC para simular la(s) entrada(s). l Poner en modo Run el PLC y comprobar visualmente con los Leds del PLC, si efectivamente lee las entradas y setea las salidas segn el programa de aplicacin.

Ejecucin del Proceso

Si todo ha funcionado perfectamente hasta este punto, descartando errores del PLC y errores de programacin. Nos falta todava verificar posibles errores de conexin.

Con el PLC apagado se hace lo siguiente: l Conectar todos los dispositivos y asegurarse que todos, incluyendo el PLC estn bien conectados. l Encender el PLC y ponerlo en Modo Run.

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l Apretando el pulsador de Marcha, iniciamos el proceso y verificamos si todo funciona como debera.

Si todo funciona bien, se prueban los diferentes estados de la planta a travs de sus controles de mando. Si todo vuelve a funcionar correctamente, y sin errores de conexin y esto da por concluido el proyecto de automatizacin.

Recomendaciones de Mantenimiento

Por ltimo, no est dems recordar, que para mantener la planta y el sistema de control de la misma en buenas condiciones se debe llevar a cabo lo siguiente: l Realizar pruebas peridicas de los circuitos de seguridad para verificar que paran la mquina de forma apropiada. l Proteger el equipo contra polvo, aceite y humedad. l Inspeccin con regularidad las conexiones de los terminales. l Cambiar aquellos componentes que han cumplido con su vida til.

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1.13. Programacin en Logo! Soft Comfort en FUP

En este apartado se indica cmo se generan circuitos complejos mediante los elementos de lenguaje de programacin FUP y cmo se vinculan los bloques entre s con las entradas y salidas. No se trata de un resumen del Manual de Programacin en Logo! de Siemens, sino mas bien, una breve introduccin y explicacin de las funciones o bloques necesarios para la construccin de los programas de automatizacin de los mdulos en los cuales se implement Logo!. Para mayor informacin acerca de las funciones presentadas aqu y otras funciones especiales o lgicas, referirse al manual de LOGO! de Siemens en los anexos de este trabajo de graduacin.

1.13.1 Bloques Un bloque es en FUP, una funcin que convierte informacin de entrada en informacin de salida. Antes era necesario cablear los distintos elementos en el armario de distribucin o en la caja de conexiones. En la programacin con FUP se enlazan bornes con bloques ahorrando as espacio y cableado.

Figura 1.22. Representacin de Bloques en FUP.

Constantes y bornes Se denominan constantes y bornes a las entradas, salidas, marcas y niveles de tensin fijos (constantes).

Entradas Las entradas se identifican mediante una I. Los nmeros de las entradas (I1, I2, I3, etc.) corresponden a los nmeros de los bornes del autmata utilizado. Figura 1.23. Entradas.

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Salidas

Las salidas se identifican mediante una Q. Los nmeros de las salidas (Q1, Q2, Q3 etc.) corresponden a los nmeros de los bornes de salida en el autmata. Figura 1.24. Salidas.

Marcas

Las marcas se identifican mediante una M. Las marcas son salidas virtuales que poseen en su salida el mismo valor que hay aplicado a su entrada. Utilizando marcas es posible rebasar en un programa la cantidad mxima de bloques conectados en serie. En nuestro programa, son muy tiles para identificar y seccionar cada etapa de la secuencia, ya que cada etapa es representada por una marca, la cual esta activa o no. Figura 1.25. Marcas.

Marca inicial o de arranque (M8) La marca M8 se aplica en el primer ciclo del programa de usuario y por ello puede utilizar en su programa como marca de arranque. Una vez completado el primer ciclo de procesamiento del programa, se reinicia automticamente. Figura 1.26. Marca Inicial. En el resto de ciclos, la marca M8 puede utilizarse como el resto de marcas para las funciones de activacin, borrado y valoracin.

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1.13.2. Funciones lgicas

AND

Figura 1.27. Funcin AND

La salida de AND slo ocupa el estado 1 cuando todas las entradas tienen estado 1, es decir, estn cerradas.

AND con evaluacin de Flanco

La salida de AND con evaluacin de flanco slo ocupa el estado 1 cuando todas las entradas tienen estado 1 y en el ciclo anterior tena estado 0 por lo menos una entrada. Si no se utiliza una entrada de este bloque (x), para la entrada se aplica: x = 1.

Figura 1.28. Diagrama de Temporizacin para la funcin AND.

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OR

Figura 1.29. Funcin OR.

La salida de OR ocupa el estado 1 cuando por lo menos una entrada tiene estado 1, es decir, est cerrada. Si no se utiliza una entrada de este bloque (x), para la entrada se aplica: x = 0.

NOT

Figura 1.30. Funcin NOT. La salida ocupa el estado 1 cuando la entrada tiene estado 0. El bloque NOT invierte el estado en la entrada. La ventaja