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Tema 67. Control programado. Software y
lenguajes de programación. Sistemas
sensoriales aplicados a la robótica.
1 Introducción.
2 Control programado. Concepto y tipos.
2.1 Concepto de control programado.
Llamamos proceso al conjunto de
transformaciones físicas y materiales que
afectan a una entidad. Llamamos sistema al
conjunto de variables relacionadas con el
proceso. El control se basa en la modificación
de las variables del sistema para que el
proceso evolucione de modo deseado. El
control programado se sirve de un PLC para
gestionar la información transducida, de
modo que en función de una serie de rutinas
programadas se generen unas señales por
las que se regirá el aporte al sistema.
2.2 Elementos de un sistema controlado.
Los elementos de los sistemas de
control son:
1) Sistema: entidad física o material que
evoluciona en magnitud respecto del tiempo
en base a un orden de reacción.
Supongamos que C(t) define la cantidad de la
entidad controlada, esta puede evolucionar
con el tiempo del siguiente modo:
( ) ( )
N
t t
KCdC = , siendo N el orden de reacción y
K una constante que depende de la
temperatura, (Ecuación de Arrhenius
B
RT
E
K A
+ln= ), pH, (efecto de ión común)...
2) Transductor: dispositivo que transforma la
energía asociada a la transformación física o
material en una señal de carácter mecánico,
electrónica pasiva o activa).
3) Acondicionadores: elementos que
transforman las señales transducidas en
señales electrónicas de carácter activo. El
control lógico programado, precisa además
que estas señales tengan un carácter digital
de amplitud y frecuencia uniforme.
4) Comparadores: son entidades en las que
se puede comparar la señal transducida con
otra consigna de magnitud deseada. La señal
resultante se llama de error y su naturaleza
puede ser todo nada, proporcional, derivativa,
o integral.
5) Red: elemento capaz de aportar materia y
energía al sistema
6) Actuador: dispositivo que condicionado por
la señal de error abre o cierra la red.
Las particularidades del control
cuando interviene un PLC, son:
1) Las señales transducida tendrán un
carácter activo.
2) La frecuencia de muestreo de las señales
se puede programar.
3) La amplitud de las será binaria o variable
dentro de unos valores.
4) El tratamiento de señales variables precisa
del uso de CAD.
5) La comparación de las señales tiene
carácter digital. Esta comparación es
programada de modo que pueden darse
respuestas de naturaleza lógica
condicionadas por los valores en las entradas
o por la hora.
6) La señal de salida tendrá un carácter activo.
Si es digital es de frecuencia definida. Si es
analógica es de amplitud definida.
7) El tratamiento de señales variables precisa
del uso de CDA.
3 Tipos de sistemas de controlados.
Si se desea conocer los tipos de
sistemas de control, se afirma que los mismos
pueden ser:
1) En lazo abierto. En este caso la
transformación física o material del sistema
no interviene en el aporte de red.
2) En lazo cerrado. En este tipo de control
existe un aporte condicionado por la
magnitud de la variación física o material.
4 Elementos y características de un PLC.
Los elementos en un PLC son los siguientes:
entradas, conversores de señales analógicas
en digitales, la placa base, el procesador, la
memoria RAM, el disco duro, el teclado, los
conversores digitales analógicos, las salidas.
4.1 Entradas.
El PLC posee una serie de pines para
la conexión de los transductores, los cuales
se nombran con códigos numéricos 000.000,
000,001,....Las mismas toman datos con un
carácter periódico a una tensión binaria
definida, (normalmente 0 ó 5 V). En el caso
de tensiones superiores es necesario prever
sistemas divisores de tensión por medio de
resistencias en serie para obtener valores
admisibles proporcionales. Si las tensiones
son muy pequeñas se amplifican por medio
de AO no inversores.
1
21 +
=
R
RR
VV outout
Para evitar los efectos de una
transducción con una intensidad insuficiente
se utilizan conmutadores de transistores
MOSFET, los cuales pueden ser excitados
independientemente del valor de la
intensidad en la puerta, ya que en la región
de saturación actúa como un interruptor
abierto si la tensión en la puerta GSV es igual
o superior al valor del umbral de excitación
del MOSFET THV . En este caso la corriente
en el drenador es: ( )2
ThGDsat V-V
K
1+K
=I ,
siendo:
LW
b
K n
 , b el ancho del canal, μn la
movilidad de los electrones, ε la
conductividad eléctrica de la capa de óxido, L
la longitud del canal y W el espesor de capa
de óxido.
4.2 Conversores de señales analógicas en
digitales
En el caso de señales con carácter
digital, las mismas son directamente
procesadas por el sistema, no obstante si la
señal es de carácter analógico necesita ser
convertida en una señal digital, para lo cual
precisamos un conversor analógico digital
formado por un divisor de tensión,
amplificadores operacionales, un generador
de tensión continua, y un circuito lógico con
puertas MOSFET.
En este circuito se originan las
siguientes señales:
V C3 C2 C1 21
20
0-¼ 0 0 0 0 0
¼-½ 1 0 0 0 1
½-¾ 1 1 0 1 0
¾-1 1 1 1 1 1
Las señales resultantes de los
circuitos lógicos son binarias de entre 0 y 5
voltios. Siguiendo el mismo esquema es
posible diseñar un CAD de 2n bits.
4.3 La placa base
La placa base es el elemento que
cumple con las siguientes funciones:
1) Posibilita la conexión de todos los
elementos del PLC.
2) Controla, administra y distribuye energía
3) Sincroniza, controla y monitorea el sistema.
4) Posibilitas el flujo de información.
Las placas bases poseen los
siguientes elementos:
A) Un conversor de corriente alterna senoidal
en corriente continua, formado por un puente
de diodos, un circuito rizador de señal y otro
recortador.
B) La memoria BIOS, (Basic Ouput Inpup
System), que es una memoria del tipo
EPROM, la cual puede ser parcialmente
configurada, (orden de selección de los
dispositivos de entrada, idioma, fecha y
hora, ...).
La memoria BIOS realiza las
siguientes funciones en el arranque del
sistema:
1) Se carga así misma en la memoria RAM.
2) Chequea los componentes del sistema,
emitiendo pitidos normalizados en el caso de
que exista algún error.
3) Configura los dispositivos básicos de
entrada y salida.
4) Carga el sistema operativo en memoria.
C) El CHIPSET se define como el conjunto de
circuitos que direcciona la información entre
el procesador y el resto de elementos. Está
formado por tres elementos fundamentales:
1) Puerto norte: circuito que direcciona la
información entre procesadores, memorias
L2 y procesador, discos y procesador,
procesador y puerto sur.
2) Puerto sur: circuito que direcciona la
información entre el puerto norte y el resto de
periféricos.
3) Circuito de generación de frecuencia del
sistema (FSB). Este circuito genera dos
señales de frecuencia definida por medio de
multivibradores MOSFET.
La figura 2-26 muestra un
multivibrador fabricado a partir de un par de
MOSFET en conmutación. Para entender
como funciona este circuito asumimos que
inicialmente C2 está descargado y C1 cargado
a VDD, En esta situación C1 se carga y se
incrementa el voltaje en la puerta de Q2 de
modo que pasa al estado ON. Este hecho
origina la descarga de C2 a través de Q2 y R3
hasta que Q1 se apague. Este ciclo de carga
y descarga se repite alternativamente de
modo que Q1 y Q2 pasen alternativamente
de ON a OFF.
Este ciclo se repite recurrentemente
obedeciendo al periodo 2ln= 111 CRt ;
2ln= 222 CRt . Si ajustamos los valores
RCCRCR == 1111 , podemos obtener el
periodo de trabajo que define el FSB.
4.4 El procesador
Este dispositivo realiza las funciones
siguientes:
1) Aritméticas y lógicas
2) Operaciones de control.
3) Dirección de información.
El procesador está formado por circuitos
aritméticos y lógicos fundamentales con
tecnología MOSFET. Circuitos de
conmutación MOSFET asociados a las
diferentes direcciones que pueden tomar los
datos. Registros de memoria RAM formados
por circuitos DRAM formados por MOSFET y
condensadores. BUSES de bits de datos,
direcciones o control.
El procesador actúa en base a una serie
de pulsos secuénciales originados por el
multivibrador MOSFET astable del CHIPSET,
que origina una frecuencia de reloj y un par
de pulsos de tensión en dos líneas
diferenciadas.
El procesador funciona del siguiente
modo:
1) Asumimos que la información en
informática está formadas por bits en forma
de datos y direcciones.
2) Los bits de datos son operados por
circuitos aritmético lógicos y provienen de:
 El propio código programático.
 Del estado de los transductores.
 De la memoria en caso de operaciones
que precisen el almacenamiento de
información.
3) Los bits de direcciones actúan sobre los
circuitos de conmutación que direccionan la
información desde el disco, la memoria o los
transductores, hacia circuitos aritmético
lógicos obteniéndose resultados que son
orientados hasta la memoria, los disco, otros
procesadores y/o periféricos.
Un procesador es capaz de importar la
información por buses de N bits por varios
canales estableciéndose una jerarquía de
buses. No obstante para que se pueda
ejecutar una instrucción es necesario que la
misma contenga los siguientes bits de
direcciones:
1) Las zonas desde las que se toma los datos.
(Caden de bits de direcciones 1)
2) Los operadores aritméticológicos que
deben operar estos datos. (Cadenas de bits
de direcciones 2)
3) El lugar donde se deben dirigir los
resultados de estas operaciones. (Cadena de
bits de direcciones 3)
Existen arquitecturas con varios
procesadores en las que simultáneamente se
pueden ejecutar más de una cadena de bits
de direcciones por instrucción.
4) Los resultados de las operaciones
aritmético lógicas pueden tener la forma de:
 Datos intermedios en el proceso de
computación.
 Datos que excitarán los transductores.
 Direcciones en el caso de procesos
condicionales.
5) Queda claro el modo en el que se tratan los
datos para ser procesados, ¿cómo puede
actuar un procesador de modo secuencial?.
El multivibrador biestable del chipset
es capaz de excitar en cada ciclo a dos
circuitos diferentes, ya que en cada semiciclo
se aporta tensión en el drenador del transistor.
Supongamos que los registro
conectados al procesador se divide en dos,
de modo que cada uno de estos semicircuitos,
S1 y S2, está excitado por la tensión de cada
uno de los dos drenadores del multivibrador
biestable del chipset, de este modo
conseguimos una ejecución secuencial S1,
S2, S1, S2,...
Al ejecutarse un programa el programador
establecen que los bits de datos y direcciones
de la primera línea se carguen en S1.
Independientemente de los bits de datos y
direcciones cargados en S1 para su
ejecución, el código programático de S1
conmuta los transistores para que se
carguen los bits de direcciones en S2 que
se ejecutarán en siguiente semiciclo,
(procesos secuenciales), aunque estos
bits de direcciones también pueden
originarse como resultado de operaciones
aritmético lógicas, (procesos
condicionales). El proceso se repite de
modo similar cuando se ejecuta S2,S1, S2,...
Además de los buses de datos y
direcciones, existen buses de control los
cuales transportan información sobre la
ejecución de las operaciones realizadas.
4.5 Memoria de acceso aleatorio
Conocida por el acrónimo “Random
Acces Memoy”, es el elemento que almacena
los bits en los procesos de ejecución de
operaciones aritméticas, lógicas y de control.
Este tipo de memorias pueden ser estáticas
si no pueden ser rescritas, o dinámicas si
pueden rescribirse.
Las memorias están formadas por
matrices bidimensionales en las que existen
líneas de bits, (datos) y palabras, (direcciones)
para datos y direcciones.
En la escritura, las líneas de palabras
se excitan por la aplicación de un voltaje en
su línea que excita un conmutador MOSFET,
Si existen 4 líneas de palabras cada una de
ellas se asocia a un bit de direcciones 0001,
0010, 0100, 1000. La información se
almacena en la celda mediante la aplicación
de las tensiones a las líneas de bit, (datos).
En la una operación de lectura, se
excita el correspondiente MOSFET por medio
de una señal bianria la información se
recupera mediante la detección de la tensión
en las líneas de bits con un amplificador
operacional integrado.
4.5.1 RAM estática (SRAM)
El componente de estas memorias es
el “flip-flop”, formado por transistores
MOSFET, en multivibración biestable.
En la figura se pueden ver las 4 conexiones
necesarias para una celda. Supongamos
que los bits de direcciones excitan una fila.
 Si el bit de dato es 1, la carga circula por
W, y varia el estado de conducción del
multivibrador biestable.
 Si el bit de dato es 0, no existe carga en
W por lo que el multivibrador biestable no
cambia su estado de conducción.
Para recuperar la información los bits
de direcciones excitan cada fila, de modo el
amplificador operacional detecta por el canal
R tensión (1), en el caso de que se haya
modificado el estado del multivibrador, o no
detecta (0), si no se ha modificado.
4.5.2 RAM dinámica DRAM
Este tipo de memorias utilizan un
MOSFET asociado a un condensador.
En escritura, el bit de dirección excita
la fila correspondiente, de modo que si el bit
de dato tiene valor 1 porta tensión y carga el
condensador por la columna ,en el caso de
que sea 0 no se carga.
En lectura, el bit de dirección vuelve a
excitar la fila de modo que si el condensador
está cargado ofrece tensión la cual es
captada por el amplificador operacional que
interpreta 1. Si no lo está su valor es 0.
Para el funcionamiento correcto de
estas memorias, una vez se posiciona y se
carga el valor en la dirección deseada, es
necesario volver a recurrir a la misma
dirección después de cierto lapso de tiempo,
(periodo de refresco),con el para que este no
se pierda. El uso de condensadores en vez
de transistores hace que su tamaño sea
considerablemente menor, haciendo posible
la construcción de memorias de mucha
mayor capacidad.
4.6 El disco duro
Este dispositivo es capaz de
almacenar información de modo permanente
en el ordenador, por lo que se utiliza para
almacenar los programas y el sistema
operativo cuando el control está inactivo. Se
trata de un conjunto de discos recubiertos con
una aleación paramagnética de Al-Ni-Co,
que giran solidariamente entre si a través de
un eje, movidos por un motor de cc. de
inducido móvil.
Entre los discos basculan unos brazos
movidos por electroimanes, que tienen
dispositivos de lectura escritura en cada uno
de sus extremos. Los mismos pasan a no
más de 3 nm. de su superficie.
La información se obtiene de las
conexiones IDE o SATA, la misma se
gestiona en un circuito integrado asociado a
un procesador que direcciona la información
en unos buses de datos guardando su
dirección asociada, en una memoria SRAM.
La información se escribe en la superficie del
disco en unos sectores de tamaño fijo de 512
KBytes. A los sectores de un mismo anillo se
les llama pista, y a la pista de una misma
vertical se le llama cilindro.
4.7 El teclado
El teclado está formado por múltiples
pulsadores QWERTY asociados a pistas
conectadas a procesadores INTEL de la
familia 8048 o 8052. Estos procesadores se
asocian a una memoria con el fin de
almacenar los datos que no se puedan enviar
al sistema.
4.8 Conversores de señales digitales en
analógicas
Para convertir una seña digital en
analógica precisamos un amplificador
operacional en la configuración de sumador.
La relación de transformación es
2
=
0=
∑
N
i
j
i
CCBout
R
V
URU .
Las salidas digitales de CC ofrecen
señales a tensiones que oscilan entre los 5, 9,
12, 24 V y pueden excitar relés y contactores.
4.9 Salidas.
El PLC posee una serie de pines para
la conexión de los actuadores, los cuales se
nombran con códigos numéricos 001.000,
001,001,....Las salidas trabajan en control
programado entre 0-12 voltios. Esta tensión
puede programarse para que sea analógica,
o digital, estableciéndose la frecuencia de
transmisión de datos.
5 Sofware de los PLC
Los programas informáticos
existentes en los PLC son:
A) Los sistemas operativos: permiten el
funcionamiento de los diferentes elementos
físicos y virtuales del sistema, permiten el
flujo de información, condicionan la
ejecución de tareas, proporcionan un interfaz
de comunicaciones con el usuario.
B) Los lenguajes de programación de los
PLC
Un programa se define como un conjunto
de instrucciones reconocibles por el PLC, a
través de su unidad de programación, que le
permiten ejecutar una secuencia de
instrucciones secuénciales o condicionales
en control.
La IEC desarrolló el estándar de
programación para PLC IEC 1131-3, el cual
establece dos lenguajes gráficos y dos
lenguajes de en texto:
 Los lenguajes gráficos son el Diagrama
Ladder (LD), y el Diagrama de Bloques de
Funciones (FBD) o grafcet
 Los lenguajes textuales son la Lista de
Instrucciones (IL), y el Texto Estructurado
(ST)
Además tienen gran aceptación:
 El lenguaje booleano por la similitud a
otros lenguajes más comunes como el C.
 El Logo para aprendizaje
5.1 Diagram Ladder
El LD está basado en los esquemas
eléctricos de control clásicos normalizados
según normas NEMA. Para programar un
PLC con LADDER, se debe estar
familiarizado con las reglas de los circuitos de
conmutación, y es necesario conocer cada
uno de los elementos de que consta este
lenguaje. En la siguiente tabla podemos
observar los símbolos de los elementos.
El contacto No Abierto.
El contacto No Cerrado.
La bobina No Abierta da como
resultado un uno lógico.
La bobina No Cerrada da un cero lógico.
La bobina SET se excita cuando la
combinación que hay a su entrada es un uno
lógico, no obstante no se puede desactivar si
no se excita su correspondiente bobina
RESET.
La bobina RESET se excita cuando la
combinación que hay a su entrada es un uno
lógico y desactiva una bobina SET
Programación
El contador se activa cuando la
combinación de la entrada cnt es un uno
lógico. Se resetea si la combinación de la
entrada reset es un uno lógico.
El contador se activa cuando la
combinación de la entrada es un uno lógico
El orden de ejecución es de arriba
hacia abajo y de izquierda a derecha, primero
los contactos y luego las bobinas.
5.2 Lenguaje Booleano.
Utiliza una lista de instrucciones o
nemónicos basado en operadores Boléanos,
(analizamos los OMRON):
AND, OR, NOT: operadores boléanos.
LD, OUT, LD NOT, OUT NOT: entrada y
salida de datos.
TIM 000#100, CNT000#1000, TIMH, CNTR:
temporización, conteo, reset del contador,...
ØØ1 LD 000.00
ØØ2 TIM 000 #0150 [Definimo
s Temp]
ØØ3 LD TIM 000 [Cargamo
s Temp]
ØØ4 OUT 001.00
ØØ5 END.
ØØ1 LD 000.00
ØØ2 CNT 002#0015 [Def.
Cont.]
ØØ3 LD
CNT
002 [Carg
Cont]
ØØ4 OUT 001.00
ØØ4 END
KEEP, DIFU-DIFE: condicionales.
IL-ILC:. Si el resultado de la secuencia
anterior a IL es Φ todas las salidas hasta ILC
se desactivan. Si el resultado es 1 estas
salidas toman el valor que corresponde
ØØ1 LD 000.00
ØØ2 AND 000.01
ØØ3 IL
ØØ4 LD 000.02
ØØ5 AND 000.03
ØØ6 OUT 001.00
ØØ7 LD 000.04
ØØ8 AND 000.05
ØØ9 OUT 001.01
Ø1Ø LD 000.04
Ø11 AND 000.06
Ø12 OUT 001.02
Ø13 ILC
Ø14 END
JMP-JME: Si el resultado de la secuencia
anterior a JMP es Φ todas las salidas hasta
JME toman el valor que les corresponde. Si
el resultado es 1 estas salidas toman el valor
Φ.
ØØ1 LD 000.00
ØØ2 JMP 0(N)
ØØ3 LD 000.01
ØØ4 AND 000.02
ØØ5 OUT 001.00
ØØ6 LD 000.03
ØØ7 OUT 001.01
ØØ8 JME
ØØ9 END
ADD, SUB, MPY, DIV: cálculo.
BIN: conversión.
5.3 Texto Estructurado
Es un lenguaje booleano de alto nivel
y estructurado, que incluye las sentencias
condicionales:(IF-THEN-ELSE, REPEAT-
UNTIL, CASE-THEN-ELSE), de interacción
(FOR, WHILE, REPEAT), y matemáticas
(ADD, SUB, MPY, DIV, SQR, SIN, COS,..)
IF Manual AND Alarm THEN
Level = Manual_Level;
Mixer = Start AND NOT Reset
ELSE IF Other_Mode THEN
Level = Max_level;
ELSE Level = (Level_Indic
X100)/Scale;
END IF;
5.4 Grafcet
El GRAFCET es un diagrama
funcional que describe los procesos a
automatizar, teniendo en cuenta las acciones
a realizar, y los procesos intermedios que
provocan estas acciones. Este método de
representación es aceptado en Europa y
homologado por varios países, entre ellos
Francia por la norma NFC-03-190.
Un GRAFCET está compuesto de:
 ETAPA: define un estado en el que se
encuentra el automatismo. Las etapas de
inicio se marcan con un doble cuadrado.
 ACCIÓN ASOCIADA: define la acción que
va a realizar la etapa.
 TRANSICIÓN : es la condición o
condiciones que, conjuntamente con la
etapa anterior, hacen evolucionar el
GRAFCET de una etapa a la siguiente,
por ejemplo un pulsador, un detector, un
temporizador, etc.
Las condiciondes se presentan con
bifurcaciones indicando la condición de
transición.
5.5 MSWLOGO
Se trata de un lenguaje estructurado
sobre el que se puede operar sobre los pines
de entrada y salida de los puertos LPT1. Las
instrucciones más comunes en este tipo de
lenguaje son:
Entrada y salida de datos.
LEEPUERTO
ESCRIBEPUERTO
LEEPUERTO
LEETECLA
PONTECLADO [INSTRUCCIÓN]
Declaración de valizbles:
HAZ “variable LEEPALABRA.
HAZ” variable valor: HAZ “a=a+1
Condicionales
SI (condición) [instrucción]
SI Y (cond1) (cond2) [instrucción]
MIENTRAS (condicón) [acción].
Conteo
REPITE nº veces [acción]
...
6 Sistemas sensoriales aplicados a la
robótica
6.1 Sensores analógicos
Los transductores utilizados por los PLC que
gobiernan robots pueden ser analógicos
activos o pasivos y digitales
Los transductores pasivos son:
A)Resistivos: PTC, NTC, LDR, galgas
extensiométricos, conductímetros,...
B)Capacitivos.
C)Inductivos.
Precisamos que los transductores
pasivos transformen la señal transducida en
una señal activa. Para ello utilizamos:
En el caso de transductores pasivos
resistivos, convertimos esta señal en activa
con:
A) Circuitos de Thevenin.
21
21
2
+
V=
RR
RR
VR
B) Amplificadores operacionales inversores
2
1
i0 -V=
R
R
V y no inversores
2
21
i0
+
V=
R
RR
V
-
Los transductores capacitivos e inductivos
originan señales de carácter senoidal de
frecuencia definida por la capacidad del
condensador, originando una señal:
( ) ( )ftπVV t 2sin= 0 ,
LCπ
f
2
1
= , siendo L o C
variable.
Para poder generar una señal activa
interpretable por el PLC, se utiliza un
demodulador de FM, para lo cual puede
utilizarse un circuito sintonizado detector de
pendiente.
Las señales activas son aquellas que portan
tensión, pudiendo provenir de circuitos Hall,
transductores electrolíticos, fotoeléctricos, de
efecto Peltier,... Estas señales deben ser
tratadas para su procesado del siguiente
modo:
1) Filtrado a la frecuencia establecida, por
medio de un filtro pasabanda.
2) Amplificación de tensión por medio de AO,
transistores MOSFET o BJT.
3) Supresión del efecto de baja intensidad por
medio de transistores MOSFET.
6.2 Sensores digitales.
La posibilidad de conectar los PLC a
los PC por medio de puertos USB, permite
combinar aplicaciones de ambos elementos,
de modo que un sistema robotizado puede
actuar de modo bidireccional en operaciones
como la transmisión información, visión
artificial, ...
Los sistemas robotizados son cada
vez mas en esta última aplicación, de modo
que el PC conectado a una cámara es capaz
de captar imágenes, las cuales son
comparadas con un patrón de modo que en
base a una serie de algoritmos se generan
señales que son lanzadas por el puerto USB
para que sean procesadas por el PLC.
6 Conclusión.
En este tema se han analizado con
profundidad los elementos, lenguajes y
sistemas sensoriales utilizados por los PLC,
de modo que con esta información se pueda
entender el modo de funcionamiento,
programación y transducción de datos
asociados a esta tecnología.
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Tema 67 control programado

  • 1. Tema 67. Control programado. Software y lenguajes de programación. Sistemas sensoriales aplicados a la robótica. 1 Introducción. 2 Control programado. Concepto y tipos. 2.1 Concepto de control programado. Llamamos proceso al conjunto de transformaciones físicas y materiales que afectan a una entidad. Llamamos sistema al conjunto de variables relacionadas con el proceso. El control se basa en la modificación de las variables del sistema para que el proceso evolucione de modo deseado. El control programado se sirve de un PLC para gestionar la información transducida, de modo que en función de una serie de rutinas programadas se generen unas señales por las que se regirá el aporte al sistema. 2.2 Elementos de un sistema controlado. Los elementos de los sistemas de control son: 1) Sistema: entidad física o material que evoluciona en magnitud respecto del tiempo en base a un orden de reacción. Supongamos que C(t) define la cantidad de la entidad controlada, esta puede evolucionar con el tiempo del siguiente modo: ( ) ( ) N t t KCdC = , siendo N el orden de reacción y K una constante que depende de la temperatura, (Ecuación de Arrhenius B RT E K A +ln= ), pH, (efecto de ión común)... 2) Transductor: dispositivo que transforma la energía asociada a la transformación física o material en una señal de carácter mecánico, electrónica pasiva o activa). 3) Acondicionadores: elementos que transforman las señales transducidas en señales electrónicas de carácter activo. El control lógico programado, precisa además que estas señales tengan un carácter digital de amplitud y frecuencia uniforme. 4) Comparadores: son entidades en las que se puede comparar la señal transducida con otra consigna de magnitud deseada. La señal resultante se llama de error y su naturaleza puede ser todo nada, proporcional, derivativa, o integral. 5) Red: elemento capaz de aportar materia y energía al sistema 6) Actuador: dispositivo que condicionado por la señal de error abre o cierra la red. Las particularidades del control cuando interviene un PLC, son: 1) Las señales transducida tendrán un carácter activo. 2) La frecuencia de muestreo de las señales se puede programar. 3) La amplitud de las será binaria o variable dentro de unos valores. 4) El tratamiento de señales variables precisa del uso de CAD. 5) La comparación de las señales tiene carácter digital. Esta comparación es programada de modo que pueden darse respuestas de naturaleza lógica condicionadas por los valores en las entradas o por la hora. 6) La señal de salida tendrá un carácter activo. Si es digital es de frecuencia definida. Si es analógica es de amplitud definida. 7) El tratamiento de señales variables precisa del uso de CDA. 3 Tipos de sistemas de controlados. Si se desea conocer los tipos de sistemas de control, se afirma que los mismos pueden ser: 1) En lazo abierto. En este caso la transformación física o material del sistema no interviene en el aporte de red. 2) En lazo cerrado. En este tipo de control existe un aporte condicionado por la magnitud de la variación física o material. 4 Elementos y características de un PLC. Los elementos en un PLC son los siguientes: entradas, conversores de señales analógicas en digitales, la placa base, el procesador, la memoria RAM, el disco duro, el teclado, los conversores digitales analógicos, las salidas. 4.1 Entradas. El PLC posee una serie de pines para la conexión de los transductores, los cuales se nombran con códigos numéricos 000.000, 000,001,....Las mismas toman datos con un carácter periódico a una tensión binaria definida, (normalmente 0 ó 5 V). En el caso de tensiones superiores es necesario prever sistemas divisores de tensión por medio de resistencias en serie para obtener valores admisibles proporcionales. Si las tensiones
  • 2. son muy pequeñas se amplifican por medio de AO no inversores. 1 21 + = R RR VV outout Para evitar los efectos de una transducción con una intensidad insuficiente se utilizan conmutadores de transistores MOSFET, los cuales pueden ser excitados independientemente del valor de la intensidad en la puerta, ya que en la región de saturación actúa como un interruptor abierto si la tensión en la puerta GSV es igual o superior al valor del umbral de excitación del MOSFET THV . En este caso la corriente en el drenador es: ( )2 ThGDsat V-V K 1+K =I , siendo: LW b K n  , b el ancho del canal, μn la movilidad de los electrones, ε la conductividad eléctrica de la capa de óxido, L la longitud del canal y W el espesor de capa de óxido. 4.2 Conversores de señales analógicas en digitales En el caso de señales con carácter digital, las mismas son directamente procesadas por el sistema, no obstante si la señal es de carácter analógico necesita ser convertida en una señal digital, para lo cual precisamos un conversor analógico digital formado por un divisor de tensión, amplificadores operacionales, un generador de tensión continua, y un circuito lógico con puertas MOSFET. En este circuito se originan las siguientes señales: V C3 C2 C1 21 20 0-¼ 0 0 0 0 0 ¼-½ 1 0 0 0 1 ½-¾ 1 1 0 1 0 ¾-1 1 1 1 1 1 Las señales resultantes de los circuitos lógicos son binarias de entre 0 y 5 voltios. Siguiendo el mismo esquema es posible diseñar un CAD de 2n bits. 4.3 La placa base La placa base es el elemento que cumple con las siguientes funciones: 1) Posibilita la conexión de todos los elementos del PLC. 2) Controla, administra y distribuye energía 3) Sincroniza, controla y monitorea el sistema. 4) Posibilitas el flujo de información. Las placas bases poseen los siguientes elementos: A) Un conversor de corriente alterna senoidal en corriente continua, formado por un puente de diodos, un circuito rizador de señal y otro recortador. B) La memoria BIOS, (Basic Ouput Inpup System), que es una memoria del tipo EPROM, la cual puede ser parcialmente configurada, (orden de selección de los dispositivos de entrada, idioma, fecha y hora, ...). La memoria BIOS realiza las siguientes funciones en el arranque del sistema: 1) Se carga así misma en la memoria RAM. 2) Chequea los componentes del sistema, emitiendo pitidos normalizados en el caso de que exista algún error. 3) Configura los dispositivos básicos de entrada y salida. 4) Carga el sistema operativo en memoria. C) El CHIPSET se define como el conjunto de circuitos que direcciona la información entre el procesador y el resto de elementos. Está formado por tres elementos fundamentales: 1) Puerto norte: circuito que direcciona la información entre procesadores, memorias L2 y procesador, discos y procesador, procesador y puerto sur. 2) Puerto sur: circuito que direcciona la información entre el puerto norte y el resto de periféricos.
  • 3. 3) Circuito de generación de frecuencia del sistema (FSB). Este circuito genera dos señales de frecuencia definida por medio de multivibradores MOSFET. La figura 2-26 muestra un multivibrador fabricado a partir de un par de MOSFET en conmutación. Para entender como funciona este circuito asumimos que inicialmente C2 está descargado y C1 cargado a VDD, En esta situación C1 se carga y se incrementa el voltaje en la puerta de Q2 de modo que pasa al estado ON. Este hecho origina la descarga de C2 a través de Q2 y R3 hasta que Q1 se apague. Este ciclo de carga y descarga se repite alternativamente de modo que Q1 y Q2 pasen alternativamente de ON a OFF. Este ciclo se repite recurrentemente obedeciendo al periodo 2ln= 111 CRt ; 2ln= 222 CRt . Si ajustamos los valores RCCRCR == 1111 , podemos obtener el periodo de trabajo que define el FSB. 4.4 El procesador Este dispositivo realiza las funciones siguientes: 1) Aritméticas y lógicas 2) Operaciones de control. 3) Dirección de información. El procesador está formado por circuitos aritméticos y lógicos fundamentales con tecnología MOSFET. Circuitos de conmutación MOSFET asociados a las diferentes direcciones que pueden tomar los datos. Registros de memoria RAM formados por circuitos DRAM formados por MOSFET y condensadores. BUSES de bits de datos, direcciones o control. El procesador actúa en base a una serie de pulsos secuénciales originados por el multivibrador MOSFET astable del CHIPSET, que origina una frecuencia de reloj y un par de pulsos de tensión en dos líneas diferenciadas. El procesador funciona del siguiente modo: 1) Asumimos que la información en informática está formadas por bits en forma de datos y direcciones. 2) Los bits de datos son operados por circuitos aritmético lógicos y provienen de:  El propio código programático.  Del estado de los transductores.  De la memoria en caso de operaciones que precisen el almacenamiento de información.
  • 4. 3) Los bits de direcciones actúan sobre los circuitos de conmutación que direccionan la información desde el disco, la memoria o los transductores, hacia circuitos aritmético lógicos obteniéndose resultados que son orientados hasta la memoria, los disco, otros procesadores y/o periféricos. Un procesador es capaz de importar la información por buses de N bits por varios canales estableciéndose una jerarquía de buses. No obstante para que se pueda ejecutar una instrucción es necesario que la misma contenga los siguientes bits de direcciones: 1) Las zonas desde las que se toma los datos. (Caden de bits de direcciones 1) 2) Los operadores aritméticológicos que deben operar estos datos. (Cadenas de bits de direcciones 2) 3) El lugar donde se deben dirigir los resultados de estas operaciones. (Cadena de bits de direcciones 3) Existen arquitecturas con varios procesadores en las que simultáneamente se pueden ejecutar más de una cadena de bits de direcciones por instrucción. 4) Los resultados de las operaciones aritmético lógicas pueden tener la forma de:  Datos intermedios en el proceso de computación.  Datos que excitarán los transductores.  Direcciones en el caso de procesos condicionales. 5) Queda claro el modo en el que se tratan los datos para ser procesados, ¿cómo puede actuar un procesador de modo secuencial?. El multivibrador biestable del chipset es capaz de excitar en cada ciclo a dos circuitos diferentes, ya que en cada semiciclo se aporta tensión en el drenador del transistor. Supongamos que los registro conectados al procesador se divide en dos, de modo que cada uno de estos semicircuitos, S1 y S2, está excitado por la tensión de cada uno de los dos drenadores del multivibrador biestable del chipset, de este modo conseguimos una ejecución secuencial S1, S2, S1, S2,... Al ejecutarse un programa el programador establecen que los bits de datos y direcciones de la primera línea se carguen en S1. Independientemente de los bits de datos y direcciones cargados en S1 para su ejecución, el código programático de S1 conmuta los transistores para que se carguen los bits de direcciones en S2 que se ejecutarán en siguiente semiciclo, (procesos secuenciales), aunque estos bits de direcciones también pueden originarse como resultado de operaciones aritmético lógicas, (procesos condicionales). El proceso se repite de modo similar cuando se ejecuta S2,S1, S2,... Además de los buses de datos y direcciones, existen buses de control los cuales transportan información sobre la ejecución de las operaciones realizadas. 4.5 Memoria de acceso aleatorio Conocida por el acrónimo “Random Acces Memoy”, es el elemento que almacena los bits en los procesos de ejecución de operaciones aritméticas, lógicas y de control. Este tipo de memorias pueden ser estáticas si no pueden ser rescritas, o dinámicas si pueden rescribirse. Las memorias están formadas por matrices bidimensionales en las que existen líneas de bits, (datos) y palabras, (direcciones) para datos y direcciones. En la escritura, las líneas de palabras se excitan por la aplicación de un voltaje en su línea que excita un conmutador MOSFET, Si existen 4 líneas de palabras cada una de ellas se asocia a un bit de direcciones 0001, 0010, 0100, 1000. La información se almacena en la celda mediante la aplicación de las tensiones a las líneas de bit, (datos). En la una operación de lectura, se excita el correspondiente MOSFET por medio de una señal bianria la información se recupera mediante la detección de la tensión en las líneas de bits con un amplificador operacional integrado.
  • 5. 4.5.1 RAM estática (SRAM) El componente de estas memorias es el “flip-flop”, formado por transistores MOSFET, en multivibración biestable. En la figura se pueden ver las 4 conexiones necesarias para una celda. Supongamos que los bits de direcciones excitan una fila.  Si el bit de dato es 1, la carga circula por W, y varia el estado de conducción del multivibrador biestable.  Si el bit de dato es 0, no existe carga en W por lo que el multivibrador biestable no cambia su estado de conducción. Para recuperar la información los bits de direcciones excitan cada fila, de modo el amplificador operacional detecta por el canal R tensión (1), en el caso de que se haya modificado el estado del multivibrador, o no detecta (0), si no se ha modificado. 4.5.2 RAM dinámica DRAM Este tipo de memorias utilizan un MOSFET asociado a un condensador. En escritura, el bit de dirección excita la fila correspondiente, de modo que si el bit de dato tiene valor 1 porta tensión y carga el condensador por la columna ,en el caso de que sea 0 no se carga. En lectura, el bit de dirección vuelve a excitar la fila de modo que si el condensador está cargado ofrece tensión la cual es captada por el amplificador operacional que interpreta 1. Si no lo está su valor es 0. Para el funcionamiento correcto de estas memorias, una vez se posiciona y se carga el valor en la dirección deseada, es necesario volver a recurrir a la misma dirección después de cierto lapso de tiempo, (periodo de refresco),con el para que este no se pierda. El uso de condensadores en vez de transistores hace que su tamaño sea considerablemente menor, haciendo posible la construcción de memorias de mucha mayor capacidad. 4.6 El disco duro Este dispositivo es capaz de almacenar información de modo permanente en el ordenador, por lo que se utiliza para almacenar los programas y el sistema operativo cuando el control está inactivo. Se trata de un conjunto de discos recubiertos con una aleación paramagnética de Al-Ni-Co, que giran solidariamente entre si a través de un eje, movidos por un motor de cc. de inducido móvil. Entre los discos basculan unos brazos movidos por electroimanes, que tienen dispositivos de lectura escritura en cada uno de sus extremos. Los mismos pasan a no más de 3 nm. de su superficie. La información se obtiene de las conexiones IDE o SATA, la misma se gestiona en un circuito integrado asociado a un procesador que direcciona la información en unos buses de datos guardando su dirección asociada, en una memoria SRAM. La información se escribe en la superficie del disco en unos sectores de tamaño fijo de 512 KBytes. A los sectores de un mismo anillo se les llama pista, y a la pista de una misma vertical se le llama cilindro. 4.7 El teclado
  • 6. El teclado está formado por múltiples pulsadores QWERTY asociados a pistas conectadas a procesadores INTEL de la familia 8048 o 8052. Estos procesadores se asocian a una memoria con el fin de almacenar los datos que no se puedan enviar al sistema. 4.8 Conversores de señales digitales en analógicas Para convertir una seña digital en analógica precisamos un amplificador operacional en la configuración de sumador. La relación de transformación es 2 = 0= ∑ N i j i CCBout R V URU . Las salidas digitales de CC ofrecen señales a tensiones que oscilan entre los 5, 9, 12, 24 V y pueden excitar relés y contactores. 4.9 Salidas. El PLC posee una serie de pines para la conexión de los actuadores, los cuales se nombran con códigos numéricos 001.000, 001,001,....Las salidas trabajan en control programado entre 0-12 voltios. Esta tensión puede programarse para que sea analógica, o digital, estableciéndose la frecuencia de transmisión de datos. 5 Sofware de los PLC Los programas informáticos existentes en los PLC son: A) Los sistemas operativos: permiten el funcionamiento de los diferentes elementos físicos y virtuales del sistema, permiten el flujo de información, condicionan la ejecución de tareas, proporcionan un interfaz de comunicaciones con el usuario. B) Los lenguajes de programación de los PLC Un programa se define como un conjunto de instrucciones reconocibles por el PLC, a través de su unidad de programación, que le permiten ejecutar una secuencia de instrucciones secuénciales o condicionales en control. La IEC desarrolló el estándar de programación para PLC IEC 1131-3, el cual establece dos lenguajes gráficos y dos lenguajes de en texto:  Los lenguajes gráficos son el Diagrama Ladder (LD), y el Diagrama de Bloques de Funciones (FBD) o grafcet  Los lenguajes textuales son la Lista de Instrucciones (IL), y el Texto Estructurado (ST) Además tienen gran aceptación:  El lenguaje booleano por la similitud a otros lenguajes más comunes como el C.  El Logo para aprendizaje 5.1 Diagram Ladder El LD está basado en los esquemas eléctricos de control clásicos normalizados según normas NEMA. Para programar un PLC con LADDER, se debe estar familiarizado con las reglas de los circuitos de conmutación, y es necesario conocer cada uno de los elementos de que consta este lenguaje. En la siguiente tabla podemos observar los símbolos de los elementos. El contacto No Abierto. El contacto No Cerrado. La bobina No Abierta da como resultado un uno lógico. La bobina No Cerrada da un cero lógico. La bobina SET se excita cuando la combinación que hay a su entrada es un uno lógico, no obstante no se puede desactivar si no se excita su correspondiente bobina RESET. La bobina RESET se excita cuando la combinación que hay a su entrada es un uno lógico y desactiva una bobina SET Programación El contador se activa cuando la combinación de la entrada cnt es un uno lógico. Se resetea si la combinación de la entrada reset es un uno lógico. El contador se activa cuando la combinación de la entrada es un uno lógico El orden de ejecución es de arriba hacia abajo y de izquierda a derecha, primero los contactos y luego las bobinas. 5.2 Lenguaje Booleano. Utiliza una lista de instrucciones o nemónicos basado en operadores Boléanos, (analizamos los OMRON): AND, OR, NOT: operadores boléanos.
  • 7. LD, OUT, LD NOT, OUT NOT: entrada y salida de datos. TIM 000#100, CNT000#1000, TIMH, CNTR: temporización, conteo, reset del contador,... ØØ1 LD 000.00 ØØ2 TIM 000 #0150 [Definimo s Temp] ØØ3 LD TIM 000 [Cargamo s Temp] ØØ4 OUT 001.00 ØØ5 END. ØØ1 LD 000.00 ØØ2 CNT 002#0015 [Def. Cont.] ØØ3 LD CNT 002 [Carg Cont] ØØ4 OUT 001.00 ØØ4 END KEEP, DIFU-DIFE: condicionales. IL-ILC:. Si el resultado de la secuencia anterior a IL es Φ todas las salidas hasta ILC se desactivan. Si el resultado es 1 estas salidas toman el valor que corresponde ØØ1 LD 000.00 ØØ2 AND 000.01 ØØ3 IL ØØ4 LD 000.02 ØØ5 AND 000.03 ØØ6 OUT 001.00 ØØ7 LD 000.04 ØØ8 AND 000.05 ØØ9 OUT 001.01 Ø1Ø LD 000.04 Ø11 AND 000.06 Ø12 OUT 001.02 Ø13 ILC Ø14 END JMP-JME: Si el resultado de la secuencia anterior a JMP es Φ todas las salidas hasta JME toman el valor que les corresponde. Si el resultado es 1 estas salidas toman el valor Φ. ØØ1 LD 000.00 ØØ2 JMP 0(N) ØØ3 LD 000.01 ØØ4 AND 000.02 ØØ5 OUT 001.00 ØØ6 LD 000.03 ØØ7 OUT 001.01 ØØ8 JME ØØ9 END ADD, SUB, MPY, DIV: cálculo. BIN: conversión. 5.3 Texto Estructurado Es un lenguaje booleano de alto nivel y estructurado, que incluye las sentencias condicionales:(IF-THEN-ELSE, REPEAT- UNTIL, CASE-THEN-ELSE), de interacción (FOR, WHILE, REPEAT), y matemáticas (ADD, SUB, MPY, DIV, SQR, SIN, COS,..) IF Manual AND Alarm THEN Level = Manual_Level; Mixer = Start AND NOT Reset ELSE IF Other_Mode THEN Level = Max_level;
  • 8. ELSE Level = (Level_Indic X100)/Scale; END IF; 5.4 Grafcet El GRAFCET es un diagrama funcional que describe los procesos a automatizar, teniendo en cuenta las acciones a realizar, y los procesos intermedios que provocan estas acciones. Este método de representación es aceptado en Europa y homologado por varios países, entre ellos Francia por la norma NFC-03-190. Un GRAFCET está compuesto de:  ETAPA: define un estado en el que se encuentra el automatismo. Las etapas de inicio se marcan con un doble cuadrado.  ACCIÓN ASOCIADA: define la acción que va a realizar la etapa.  TRANSICIÓN : es la condición o condiciones que, conjuntamente con la etapa anterior, hacen evolucionar el GRAFCET de una etapa a la siguiente, por ejemplo un pulsador, un detector, un temporizador, etc. Las condiciondes se presentan con bifurcaciones indicando la condición de transición. 5.5 MSWLOGO Se trata de un lenguaje estructurado sobre el que se puede operar sobre los pines de entrada y salida de los puertos LPT1. Las instrucciones más comunes en este tipo de lenguaje son: Entrada y salida de datos. LEEPUERTO ESCRIBEPUERTO LEEPUERTO LEETECLA PONTECLADO [INSTRUCCIÓN] Declaración de valizbles: HAZ “variable LEEPALABRA. HAZ” variable valor: HAZ “a=a+1 Condicionales SI (condición) [instrucción] SI Y (cond1) (cond2) [instrucción] MIENTRAS (condicón) [acción]. Conteo REPITE nº veces [acción] ... 6 Sistemas sensoriales aplicados a la robótica 6.1 Sensores analógicos Los transductores utilizados por los PLC que gobiernan robots pueden ser analógicos activos o pasivos y digitales Los transductores pasivos son: A)Resistivos: PTC, NTC, LDR, galgas extensiométricos, conductímetros,... B)Capacitivos. C)Inductivos. Precisamos que los transductores pasivos transformen la señal transducida en una señal activa. Para ello utilizamos: En el caso de transductores pasivos resistivos, convertimos esta señal en activa con: A) Circuitos de Thevenin. 21 21 2 + V= RR RR VR B) Amplificadores operacionales inversores 2 1 i0 -V= R R V y no inversores 2 21 i0 + V= R RR V -
  • 9. Los transductores capacitivos e inductivos originan señales de carácter senoidal de frecuencia definida por la capacidad del condensador, originando una señal: ( ) ( )ftπVV t 2sin= 0 , LCπ f 2 1 = , siendo L o C variable. Para poder generar una señal activa interpretable por el PLC, se utiliza un demodulador de FM, para lo cual puede utilizarse un circuito sintonizado detector de pendiente. Las señales activas son aquellas que portan tensión, pudiendo provenir de circuitos Hall, transductores electrolíticos, fotoeléctricos, de efecto Peltier,... Estas señales deben ser tratadas para su procesado del siguiente modo: 1) Filtrado a la frecuencia establecida, por medio de un filtro pasabanda. 2) Amplificación de tensión por medio de AO, transistores MOSFET o BJT. 3) Supresión del efecto de baja intensidad por medio de transistores MOSFET. 6.2 Sensores digitales. La posibilidad de conectar los PLC a los PC por medio de puertos USB, permite combinar aplicaciones de ambos elementos, de modo que un sistema robotizado puede actuar de modo bidireccional en operaciones como la transmisión información, visión artificial, ... Los sistemas robotizados son cada vez mas en esta última aplicación, de modo que el PC conectado a una cámara es capaz de captar imágenes, las cuales son comparadas con un patrón de modo que en base a una serie de algoritmos se generan señales que son lanzadas por el puerto USB para que sean procesadas por el PLC. 6 Conclusión. En este tema se han analizado con profundidad los elementos, lenguajes y sistemas sensoriales utilizados por los PLC, de modo que con esta información se pueda entender el modo de funcionamiento, programación y transducción de datos asociados a esta tecnología. 7 Bibliografía