1. Sistemas de Automatización
Industrial
AUT OMA TIZA CION
M.C. Fco. Javier de la Garza S.
Cuerpo Académico Sistemas Integrados de
Manufactura
Gama.fime.uanl.mx/~jdelagar
Fime_tareas@yahoo.com
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1
2. Presentación del curso
• Filosofía de los sistemas de control y su
arquitectura
• Diseño de sistemas de automatización
industrial
• Métodos de programación
• Interfase con el operador
• Intercambio de información con otros
sistemas
• Selección de equipo y programas
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3. Automatización
• Realizar una actividad o proceso sin la
necesidad de una supervisión directa
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3
4. Dinámica
• Formar equipos y apuntar las ventajas
de automatizar un proceso
• Discutir las ventajas planteadas
• Ahora hacer una lista con las
desventajas
• Enlistar lo que podría hacer que no
funcione la automatización realizada
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5. Objetivo de la Automatización
• Reducir la variabilidad de un proceso.
• Mejorar la productividad.
• Mejorar la calidad.
• Reducir los desperdicios.
• Evitar riesgos a operadores.
• Mejorar la seguridad del personal,
instalaciones y vecinos.
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5
6. Descripción de un sistema de
control
• Controlador. Contiene el algoritmo de
control, se encarga de manejar la salida de
control para obtener el valor deseado.
• Entrada. Medición de la variables de proceso
que se quiere controlar, ésta señal proviene
del sensor instalado.
• Salida. Señal que actúa sobre el elemento final
de control.
• Set Point. Valor en que se desea mantener a la
variable de proceso.
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7. Modos de Control
• La salida de control solo puede estar
encendida o apagada:
– ON-OFF
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• La salida de control puede ser
modulada en valores desde 0 a 100%
– PID
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8. Dinámica
• Formar equipos y escribir la filosofía de
control del sistema descrito
• Definir las entradas y salidas del
sistema
• ¿Cuáles serían las perturbaciones que
podrían afectar la operación del
sistema?
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8
9. Controladores
• Controles unilazo (una sola variable de
control).
• Controladores Lógicos Programables
(PLC).
• Sistemas de Control Distribuido.
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10. Controles para un sólo lazo
• Sistemas que controlan una sóla
variable
• Cuentan con pantalla para observar los
parámetros de operación
• Algunos cuentan con pantalla gráfica
• Cuentan con salidas de alarmas
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11. Controladores Lógicos
Programables
• Aplicables a diversos procesos
• Reprogramables
• Manejo eficiente de señales On/Off
• Aplicaciones pequeñas hasta grandes
• Modulares
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12. Sistemas de Control
Distribuido
• Utilizados principalmente en procesos
contínuos
• Altamente confiables
• Manejo eficiente de señales analógicas
• Costosos, para aplicaciones grandes a
muy grandes
• Modulares
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13. Estrategia de Control
• Lazo abierto
– El parámetro que se controla no se mide
por el sistema de control.
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• Lazo cerrado
– El parámetro que se controla se mide y
retroalimenta al sistema de control.
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13
14. Estrategia de Automatización
• ¿Qué parámetro (variable de proceso) se
quiere controlar?
• ¿Se puede medir directa o indirectamente la
variable de proceso?
• ¿Cómo se puede controlar la variable de
proceso?
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–
–
–
–
–
Dosificar
Agitar
Calentar
Enfriar
Posicionar
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14
15. Estrategia de Automatización
• ¿Se quiere controlar dentro de un rango o en
un valor específico?
• ¿Se requiere observar el valor de la variable
de proceso?
• ¿Qué tipo de sensor es adecuado para la
aplicación específica?, ¿Se encuentra dentro
de nuestro presupuesto?
• ¿Qué tipo de actuador es adecuado para la
aplicación específica?, ¿Se encuentra dentro
de nuestro presupuesto?
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15
16. Estrategia de Automatización
• ¿Se instalará como un control local o
cómo parte de un sistema de control de
planta?
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16
17. Dinámica
• Cuál sería el mejor método para
solucionar el sistema que esta
planteando su equipo y porqué
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18. Corriente
• La corriente fluye por un cable para llevar la
electricidad
• Se representa por una “I”
• La unidad de medida es el Amper (A ó Amp)
• En electrónica se utilizan normalmente
miliamperes (mA).
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– 1A
– 0.1 A
=
=
1000 mA
100 mA
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19. Voltaje
• El voltaje es el nivel de potencial en un
punto específico
• El voltaje se mide en Volts (V)
• Si un punto tiene 5V y otro 0V y se
conecta un cable entre ellos, entonces la
corriente fluirá desde el punto en 5V
hacia el punto en 0V
• 0V se conoce como Tierra (Ground)
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20. Voltaje
• El voltaje se transmite de dos formas:
– Corriente Directa (CD)
– Corriente Alterna (CA)
• En la CD el voltaje se mantiene siempre
constante
• En la CA el voltaje varía en forma senoidal
cruzando por cero y la frecuencia de la onda
se mide en Hertz (Hz)
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20
21. Tierra
• La tierra es GND
• Tierra es donde no hay diferencia de
potencial con 0V
• Todos los dispositivos deben compartir la
misma tierra
• Aunque se utilizan fuentes de diferentes
voltajes todas deben compartir la misma
tierra
• Cuando se utilizan baterías (CD), el negativo
es la tierra
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21
22. Resistencia
• Es la cantidad de resistencia que
encuentra la electricidad
• La unidad de medida es el Ohm (Ω)
• Se utiliza la nomenclatura de K (kilo1,000), M (Mega-1,000,000)
4700 Ω = 4.7 KΩ
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22
23. Circuito Abierto
• Cuando un circuito
se encuentra abierto
no puede fluir a
través de él la
energía eléctrica y
no sucede nada
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24. Circuito Cerrado
• Un circuito cerrado
permite el flujo
eléctrico entre los
elementos
• La corriente circula
y el foco se enciende
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24
25. Conexión en Serie
• Cuando dos o más
elementos se unen
sin derivación entre
ellos
• En el ejemplo hay
tres luces en serie
conectados a la
batería
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25
26. Conexión en Paralelo
• Cuando dos o más
elementos se unen
con la misma
polaridad
• En el ejemplo hay
tres luces en
paralelo conectados
a la batería
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26
27. Ley de Ohm
• La ley de Ohm describe la relación que
existe entre corriente, voltaje y
resistencia
V=IR
• Resolviendo para I y R obtenemos:
I=V/R
R=V/I
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28. Ley de Ohm
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• El voltaje de
alimentación es de 12
VCD
• La corriente que fluye
por el led es de 200mA
• Encontrar la resistencia
utilizando la fórmula
R=V/I
R = 12 / 0.2
R = 60 Ω
28
29. Potencia
• La potencia es la cantidad de energía
que se utiliza para operar un equipo
• La potencia se mide en Watts y se
representa por con la letra W ó P
P=VI ó
P = I2 R
• Despejando para V y para I
V=P/I
I=P/V
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29
30. Potencia
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• El voltaje de
alimentación es de 12
VCD
• La corriente que fluye
por el led es de 200mA
• Encontrar la potencia
utilizando la fórmula
P=V I
P = 12 * 0.2
P = 2.4 W
30
31. Potencia
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• El voltaje de
alimentación es de 120
VCA
• La potencia del foco es
de 100 Watts
• Encontrar la corriente
utilizando la fórmula
I=P/V
I = 100 / 120
I = 0.83 A
31
32. Entradas y Salidas
• Las entradas son las
señales que llegan al
PLC provenientes
de sensores
• Las salidas son
señales que salen del
PLC y van hacia un
actuador
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32
33. Entradas Digitales
• Selectores
• Botones
• Interruptores de límite
• Interruptores de proximidad
• Contacto auxiliar de motor (estado)
• Relevadores
• Encoders
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34. Entradas Analógicas
•
•
•
•
•
•
•
•
Transductores de temperatura
Transductores de presión
Celdas de carga
Transductores de humedad
Transductores de flujo
Potenciómetros
Mediciones de PH, ORP, Conductividad
Corriente, Voltaje
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35. Salidas Digitales
• Relevadores de control
• Solenoides
• Arrancadores de motor
• Alarmas sonoras
• Indicadores
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36. Salidas Analógicas
• Válvulas de control
• Actuadores
• Variadores de velocidad
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37. Evolución del Software
1001110001010111
1110011101010100
• Lenguaje máquina
– Interruptores y botones
• Ensamblador
– Lenguaje máquina
– Programación con nemotécnicos
• Lenguajes de alto nivel (Fortran, C…)
– Brindan portabilidad
– Compiladores e interpretes
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MOV A,F4E8h
ADD A,B
JMP
for (i=1; i<10; i++)
printf (“hello/n”);
• Diagramas escalera (LD ó RLL)
– Esquemático orientado al control discreto
– Sin lógica para estrategia de control
• Herramientas CASE con diagramas de flujo
– Orientada a la aplicación
– Enfasis en productividad no en programación
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37
38. Requerimientos actuales de Software
• Reducir el ciclo de desarrollo
– Diseño, depuración, implementación, arranque
• Reducir el mantenimiento a largo plazo del Software
– Simplificar la documentación, cambios sencillos
• Mayor Apertura, Flexibilidad y Capacidad
– Integrar funciones, características y aplicaciones
• Integrar a todo el negocio
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– Conectividad corporativa desde el piso de producción hasta los
sistemas administrativos
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38
39. El estándar IEC 1131 ó
IEC 61131-3
• Una combinación de métodos de programación
– IL Lista de instrucciones
Instruction List
– ST-Texto estructurado
Structured Text
– FBD-Bloques de funciones
Function Blocks
– LD Diagramas escalera
Ladder Diagram
– SFC-Diagramas secuenciales
Sequential Function Charts
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40. Aplicaciones del estándar
IEC 61131-3
• Las principales compañías de software han
desarrollado herrramientas amigables para reducir el
tiempo de desarrollo y arranque (tiempo al mercado).
– Todos los fabricantes de software basado en diagramas
escalera estan buscando la manera de mejorar sus
herramientas de programación que fueron diseñadas
principalmente para control digital.
– Aún los fabricantes de software FBD y SFC han sido
forzados a modificar sus técnicas de programación para
mantenerse competitivos en el mercado.
– Los diagramas de flujo son utilizados por muchos
fabricantes de software como la herramienta de
configuración más sencilla de utilizar.
AUT OMA TIZA CION
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40
41. Los elementos de un PLC
Circuito
de entrada
CPU
Memoria
Circuito
de salida
Relevadores
de entrada Contadores
Relevadores
de salida
Relevadores
internos
Área para
datos
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Timers
41
42. Los Elementos
• Relevadores de entrada
(Entradas)
Están conectados físicamente a los dispositivos del
sistema. Reciben su señal de interruptores, selectores
o relevadores.
El tipo de señal que se recibe se conoce como digital,
es decir, solo pueden manejar dos estado hay o no
señal (ON-OFF).
El rango de voltaje que manejan depende del modelo
seleccionado.
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42
43. Los Elementos
• Relevadores internos
Estos no se encuentran conectados físicamente ni
reciben señales. Son relevadores simulados dentro
del PLC que ayudan a construir la lógica de control y
permiten trabajar sin la necesidad de relevadores
externos.
El tipo de señal que se manejan se conoce como
digital, es decir, hay o no señal (ON-OFF). Se siguen
conociendo en algunos casos como señales ON-OFF
solo por los dos estados que pueden tener.
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43
44. Los Elementos
• Contadores
Estos tampoco existen físicamente. Son contadores
simulados que pueden ser programados para contar
pulsos. Normalmente estos contadores tienen
capacidad de contar hacia arriba, abajo y en ambas
direcciones.
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44
45. Los Elementos
• Timers
No existen físicamente. La forma de trabajo y
resolución puede variar entre fabricantes. Se utilizan
para retardar el encendido o apagado de una señal,
ya sea física o interna. El tipo más común es retardo
encendido (on delay). Los incrementos pueden variar
de 1mseg a 1seg.
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45
46. Los elementos
• Relevadores de salida (Bobinas o
Salidas)
Están conectados físicamente al sistema. Envían
señales de encendido/apagado (On-Off) a
solenoides, luces, etc.
El tipo de salida varia de acuerdo a la construcción
física y la capacidad de manejo de voltaje y corriente.
Pueden ser transistores, relevadores o triacs
dependiendo del modelo seleccionado.
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46
47. Los Elementos
• Área para datos
Esta es un lugar especial de la memoria dentro del
PLC organizado por registros asignados a almacenar
información. Se utilizan como almacenamiento
temporal para operaciones matemáticas y
manipulación de datos. También pueden almacenar
información importante de la operación cuando se
desconecta el PLC.
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47
48. Operación de un PLC
Fase 1:
Lectura de señales
Fase 2:
Ejecución del programa
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Fase 3:
Escritura de señales
Fase 4:
Memory Word Zero
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48
49. Operación del PLC
• Lectura de señales
El PLC lee cada entrada para determinar si se
encuentra apagada o encendida.
• Ejecución del programa
AUT OMA TIZA CION
El PLC ejecuta nuestro programa una
instrucción a al vez. Una vez que ya conoce el
estado de las entradas se pueden tomar
decisiones en la lógica del programa y
almacenar el resultado para su posterior uso.
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49
50. Operación del PLC
• Ejecución del programa
El PLC ejecuta el programa una instrucción a al vez.
Una vez que ya conoce el estado de las entradas se
pueden tomar decisiones en la lógica del programa y
almacenar el resultado para su posterior uso.
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50
51. Operación del PLC
• Escritura de señales
El PLC actualiza el estado de las salidas basado en la
información obtenida durante la ejecución del
programa.
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51
52. Operación del PLC
• Memory Word Zero
Aunque no es parte del ciclo de operación de nuestro
sistema de control, es una etapa que todo PLC debe
ejecutar para su operación interna y de comunicación
con equipos periféricos.
El PLC debe verificar la correcta operación de sus
partes, actualizar contadores, timers y ejecutar
funciones de comunicación.
AUT OMA TIZA CION
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52
53. ¿Qué es el tiempo de
muestreo?
• El tiempo de muestreo o scan es el
tiempo que le toma al PLC ejecutar los
pasos antes mencionados. Del tiempo
que tarde en la ejecución de estos pasos
dependerá la velocidad a la que puede
reaccionar a los eventos que ocurran a
su alrededor.
AUT OMA TIZA CION
A U T O M A T IZ A C IO N
53
54. Tiempo de muestreo
Señal de entrada
On
Off
Out
AUT OMA TIZA CION
In
Ejecución
Out
In
Ejecución
SCAN 1
In
SCAN 2
Muestreo 1
Out
Muestreo 2
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54
55. Muestreo de una entrada
En el peor de los casos la señal de entrada debe
mantenerse al menos un tiempo de muestreo
On
Off
Out
AUT OMA TIZA CION
In
Ejecución
Out
In
Ejecución
SCAN 1
In
SCAN 2
Muestreo 1
Out
Muestreo 2
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55
56. Activar una salida
En el peor de los casos la señal de salida tarda en responder
a la entrada un tiempo de muestreo + Ejecución + Salida
AUT OMA TIZA CION
Out
In
Ejecución
Out
In
Ejecución
SCAN 1
In
SCAN 2
Muestreo 1
Out
Muestreo 2
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56
57. Diagramas de Tiempo
• Un diagrama de tiempo nos muestra de
manera gráfica lo que ocurre en nuestro
sistema con respecto al tiempo
AUT OMA TIZA CION
Arranque
Paro
Motor
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57
58. Ejercicio
Control de grúa viajera
Derecha/Izquierda y Arriba/Abajo
Derecha
Izquierda
Motor
Derecha/izquierda
AUT OMA TIZA CION
Arriba
PLC
Abajo
A U T O M A T IZ A C IO N
Motor
Arriba/abajo
58
60. Lógica Booleana
• Se le conoce también como Binaria y se utiliza
de dos formas:
– Combinacional
– Secuencial
AUT OMA TIZA CION
• Se le llama binaria porque tiene solo dos
valores posibles:
– Verdadero, 1 ó su respectiva señal de voltaje (5V)
– Falso, 0 ó su respectiva señal de voltaje (0V)
A U T O M A T IZ A C IO N
60
61. Lógica Combinacional
• De acuerdo a la combinación de señales
de entrada se obtiene una salida.
• Siempre la misma combinación de
entradas resulta en la misma salida.
AUT OMA TIZA CION
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61
62. Compuertas Lógicas
• Son bloques con funciones lógicas
establecidas
• Por claridad se representan como
funciones con dos entradas y una sola
salida
AUT OMA TIZA CION
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62
63. Not (Negado)
• El bloque lógico más
sencillo
• La señal de entrada
se invierte
• Si en la entrada
tenemos una señal
verdadera en la
salida habrá una
señal falsa
AUT OMA TIZA CION
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Entrada
Salida
F
V
V
F
63
64. AND (Y)
• Para que la salida
sea verdadera se
requiere que todas
las señales de
entrada sean
verdaderas
• Cualquier otra
combinación de
entradas arroja un
falso a la salida
AUT OMA TIZA CION
A U T O M A T IZ A C IO N
X
F
F
V
V
Y
F
V
F
V
X*Y
F
F
F
V
64
65. OR (O)
• Para que la salida
sea verdadera se
requiere que al
menos una de las
señales de entrada
sean verdaderas
• Cuando todas las
entradas son falsas
la salida es falsa
AUT OMA TIZA CION
A U T O M A T IZ A C IO N
X
F
F
V
V
Y
F
V
F
V
X+Y
F
V
V
V
65
66. Ejercicio No. 1
Encendido y paro de un motor desde una estación
De botones.
AUT OMA TIZA CION
Arranque
Motor
Paro
PLC
A U T O M A T IZ A C IO N
66
68. Direccionamiento
• Se requiere que cada entrada, sin
importar el elemento al que esté
conectada, sea identificada.
• Se requiere que cada salida, sin
importar el elemento sobre el que actúa,
sea identificada.
• Toda bobina y contacto auxiliar debe
ser identificado.
AUT OMA TIZA CION
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68
69. Identificación de señales
• No existe un estándar para identificar a
las señales de un PLC.
• Cada fabricante define la identificación
de las señales.
• Existen dos convenciones ampliamente
utilizadas una numérica y otra
simbólica.
AUT OMA TIZA CION
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69
71. Direccionamiento Wago
%__#.#
Tipo de Memoria
I : Entrada física
Número de bit (opcional)
AUT OMA TIZA CION
Q: Salida física
M: Memoria
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Número de palabra
Tamaño de memoria
X: Bit
B: Byte
W: Palabra
D: Doble palabra
71
72. Ejercicio No. 1
Encendido y paro de un motor desde una estación
De botones.
AUT OMA TIZA CION
Arranque
Motor
Paro
PLC
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72
73. Ejercicio No. 2
Control de grúa viajera
Derecha/Izquierda y Arriba/Abajo
Derecha
Izquierda
Motor
Derecha/izquierda
AUT OMA TIZA CION
Arriba
PLC
Abajo
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Motor
Arriba/abajo
73
74. Ejercicio No. 2
•
•
•
•
Entradas digitales
Botón Derecha
Botón Izquierda
Botón Arriba
Botón Abajo
AUT OMA TIZA CION
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•
•
•
•
Salidas Digitales
Motor Derecha
Motor Izquierda
Motor Arriba
Motor Abajo
74
75. Ejercicio No. 3
Control para concursantes
• Después de que el anfitrión
termina la pregunta:
– Los 3 concursantes intentan
ser los primeros en
presionar el botón situado
frente a ellos.
– La alarma sonará por 10
segundos después de que
un participante presione el
botón.
– La luz indicadora frente a
cada jugador se encenderá
hasta que sea apagada por
el anfitrión
AUT OMA TIZA CION
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75
76. Ejercicio No. 3
•
•
•
•
Entradas Digitales
Botón jugador 1
Botón jugador 2
Botón jugador 3
Botón del anfitrión
AUT OMA TIZA CION
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•
•
•
•
Salidas Digitales
Indicador jugador 1
Indicador jugador 2
Indicador jugador 3
Alarma
76
77. Ejercicio No. 4
Control de linea
– Cuando se presiona el botón
de arranque la banda de
cajas se mueve.
– Cuando se detecta la caja, la
banda de cajas se detiene y
arranca la de manzanas
– El sensor de manzanas
cuenta 10
– La banda de manzanas se
detiene y arranca la de cajas
– El contador de manzanas se
detiene y la operación se
repite hasta que el botón de
paro se presione.
AUT OMA TIZA CION
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77
78. Ejercicio No. 4
•
•
•
•
Entradas Digitales
Botón de arranque
Botón de paro
Sensor de cajas
Sensor de manzanas
AUT OMA TIZA CION
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Salidas Digitales
• Banda de cajas
• Banda de manzanas
78
79. Ejercicio No. 5
•
Control de taladro
Operación manual
–
–
Cuando SW1 se enciende, el motor
se mueve hacia delante. Se detiene
con SW2. Cuando el taladro llega a
LS2, el motor se apaga.
Cuando SW3 se enciende, el motor
se mueve en reversa. Se detiene con
SW2. Cuando el taladro llega a LS1,
el motor se apaga.
AUT OMA TIZA CION
•
Ciclo automático
–
–
–
Cuando PB y LS1 estan encendidos,
el motor se mueve hacia delante
hasta que se active LS2.
Un circuito de tiempo (timer) inicia
una cuenta descendente. El motor se
mueve en reversa cuando el timer
llega a 2 segundos.
Cuando llega a LS1 el ciclo se repite.
A U T O M A T IZ A C IO N
79
80. Ejercicio No. 5
Entradas digitales
• Botón adelante
• Botón atrás
• Botón de paro
• Límite izquierdo
• Límite derecho
• Selector
manual/auto
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Salidas digitales
• Indicador auto
• Indicador manual
• Indicador auto-start
• Motor izquierdo
• Motor derecho
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81. Ejercicio No. 6
Control de llenado y vaciado de tanque
• Cuando se presiona el botón de
arranque, la válvula de llenado se
enciende y el agua empieza a llenar
el tanque. Al mismo tiempo el agitar
inicia operación.
• Cuando el nivel de agua pasa el
sensor inferior y llega al superior, la
válvula de alimentación se cierra y
se detiene el agitador.
• La válvula de drenaje se energiza.
Cuando el agua llega al sensor
inferior la válvula se cierra.
• Cuando el ciclo se realiza cuatro
veces la operación se detiene, el
indicador de FIN se energiza y no se
reinicia la operación hasta que se
presione el botón de arranque
AUT OMA TIZA CION
A U T O M A T IZ A C IO N
81
82. Ejercicio No. 7
Clasificación de partes
• En esta aplicación se detectan
productos defectuosos y se
retiran de la banda
transportadora
– El sensor PH1 se enciende
cuando aparece un producto
defectuoso en la banda
– El sensor PH2 genera un pulso
cada vez que pasa un producto
– Cuando se detecta un producto
defectuoso se inicia una cuenta
hasta que el producto llega a la
posición donde esta el pistón
MV2
AUT OMA TIZA CION
A U T O M A T IZ A C IO N
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83. Ejercicio No. 8
Control de movimientos de
robot
• El robot toma las piezas de
la banda transportadora A y
las coloca en la B
– Cuando el botón de
arranque se presiona el
robot gira su brazo a favor
de las manecillas del reloj
– Cuando llega a la posición
en la banda A el brazo toma
la pieza
– Cuando el brazo toma la
pieza gira hacia la banda B
– Cuando llega a la posición
de B deja la pieza
AUT OMA TIZA CION
A U T O M A T IZ A C IO N
83
Notas del editor
El primer paso antes de automatizar un proceso es definir el objetivo de dicha automatización. Las razones son bastante conocidas y se mencionan:
Mejorar la variablidad de un proceso.
Bajo situciones normales en donde un proceso es controlado por un operador no se pueden lograr las condiciones ideales. Un operador tiene necesidades que le impiden estar junto al proceso el 100% de su tiempo y con el 100% de su atención. Mientras en cierto momento de su horario de trabajo puede lograrlo, en otro momento puede desatenderlo por completo.
Las diferencias entre operadores también son notorias e incluso en un mismo operador cuando trabaja en turnos. A pesar de trabajar las 24 hrs del día, en cualquier planta se puede observar un decremento en la productividad y calidad en los turnos de noche. Esto es obvio, la gente se cansa. Se les saca de su ritmo biológico normal y esto afecta su desempeño.
Esto cambia con un instrumento dedicado exclusivamente a cuidar nuestro proceso las 24 hrs del día.
Mejorar la productividad
Debido a que no existirán en adelante retrasos debidos a la falta de atención de un operador, se puede garantizar que el equipo funcione al 100% de su capacidad. Siempre y cuando se cumplan las demás condiciones de operación.
Mejorar la calidad
Recudir los desperdicios
Evitar riesgos a operadores
Mejorar la seguridad del personal, instalaciones y vecinos.