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Autómatas programables - Monografía



 
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Tecnología. Estructura. Factores. Selección. Configuración, instalación y puesta a punto. Identificación y resolución de averías. Equipos



1.- Introducción.


En nuestros días, los constructores de equipos de control y los ingenieros automatistas no ignoran ya nada referente a los autómatas programables con memoria ” Programable Controllers ” ( PC ). El punto de equilibrio a partir del cual su precio es comparable, o incluso inferior a  los tradicionales de lógica cableada disminuye constantemente. En numerosos problemas es conveniente, pues, determinar el modo de gobierno más apropiado y con esta consideración la elección se torna cada vez más hacia los autómatas programables con memoria. Por otro lado se trata, no solamente de una cuestión de precio, sino, también de una mejora en tiempo, flexibilidad incrementada con el manejo, alta fiabilidad, localización y eliminación rápida de fallos, etc. Simultáneamente, el producto final, es decir, la maquina o la instalación equipada con uno de tales autómatas alcanza un nivel tecnológico más elevado.

2.-  Origen y perspectivas.


Los autómatas programables aparecieron en los Estados Unidos de América en los años 1969 - 70, y más particularmente en el sector de la industria del automóvil; fueron empleados en Europa alrededor de dos años más tarde. Su fecha de creación coincide, pues con le comienzo de la era del microprocesador y con la generación de la lógica cableada modular.
El autómata es la primera máquina con lenguaje, es decir, un calculador lógico cuyo juego de instrucciones se orienta hacia los sistemas de evolución secuencial. Hay que apreciar que, cada vez más, la universalidad   de los ordenadores tiende a desaparecer, el futuro parece abrirse hacia esta nueva clase de dispositivos: maquina para proceso de señales, para la gestión de bases de datos…etc.

El autómata programable es, pues en este sentido un percusor y constituye para los automatistas un esbozo de la maquina ideal.

La creciente difusión de aplicaciones de la electrónica, la fantástica disminución del precio de los componentes, el nacimiento y el desarrollo de los microprocesadores y, sobretodo, la miniaturización de los circuitos de memoria permiten presagiar una introducción de los  autómatas programables, cuyo precio es atractivo incluso para equipos de prestaciones modestas, en una inmensa gama de nuevos campos de aplicación.
El autómata programable satisface las exigencias tanto de procesos continuos como discontinuos. Regula presiones, temperaturas, niveles y caudales así como todas las funciones asociadas de temporización, cadencia, conteo y lógica. También incluye una tarjeta de comunicación adicional, el autómata se transforma en un poderoso satélite dentro de una red de control distribuida.
El autómata  programable es un aparato electrónico programable por un usuario programador y destinado a gobernar, dentro de un entorno industrial, maquinas o procesos lógicos secuenciales.


3.-  Estructura de un autómata programable.



3.1.-  Constitución.



Un autómata programable propiamente dicho está constituido por:

- Un dispositivo de alimentación :

que proporciona la transformación de la energía eléctrica suministrada por la red de alimentación en las tensiones continuas exigidas por los componentes electrónicos.

- Una tarjeta procesadora : 

es el cerebro del autómata programable que interpreta las instrucciones que constituyen el programa grabado en  la memoria y deduce las operaciones a realizar.

- Una tarjeta de memoria:

contiene los componentes electrónicos que permiten memorizar el programa, los datos   ( señales de entrada ) y los accionadores ( señales de salida ).

Por otro lado es necesario utilizar una consola de programación para escribir y modificar el programa, así como para los procesos de puesta a punto y pruebas. Esta consola es. Por el contrario, inútil en la explotación industrial del autómata

3.2.-  Conclusión general.



Los autómatas son equipos electrónicos de cableado interno independiente del proceso a controlar ( hardware ). Un autómata se integra a la maquina o instalación a controlar mediante un programa que define la solución de las operaciones que se desea
( software ) y de un cableado directo a los elementos de entrada y de salida del autómata. El autómata programable realiza funciones  de control de tipo lógico y secuencial dentro de las fabricas, es decir, en la proximidad de las maquinas en un entorno industrial.

El funcionamiento de un autómata industrial puede adaptarse plenamente a la formación y hábitos del personal de fabricación y mantenimiento.

El numero de instrucciones procesadas difiere de un autómata a otro. El programa es directamente concebido por un automatista, electricista o mecánico. Este trabajo se facilita aún más mediante el empleo de consolas de programación.

Un autómata programable se convierte en un equipo especifico una vez dotado de un programa y acoplado con los elementos de entrada y salida. Para  que el autómata pueda trabajar, el programa debe esta alojado en una memoria interna de programa, dispositivos de semiconductores. Según el tipo de memoria interna de programa, se distingue entre autómatas de programación libre y autómatas de programación intercambiable.

Los autómatas de programación libre van equipados con una memoria de lectura / escritura ( RAM o memorias vivas ) en donde puede introducirse el programa sin más dispositivos adicionales que la consola de programación. Ello permite también leer un programa ya introducido. La memoria RAM pierde su contenido en caso de caída de tensión, pero ello puede evitarse mediante una batería tampón.

Los autómatas de programación intercambiable van equipados con una memoria de solo lectura ( PROM o EPROM ), también denominada memoria muerta que debe cambiarse en caso de modificación del programa. Las memorias EPROM pueden borrarse mediante una radiación ultravioleta y posteriormente reprogramadas, mientras que las PROM no pueden modificarse una vez ya se hayan programado. Si se desea realizar modificaciones será preciso programar una nueva memoria PROM que sustituirá a la antigua.

Un autómata  se presenta bajo la forma de un conjunto de tarjetas o circuitos impresos en los que se han montado componentes electrónicos integrados. Estos se alojan en paneles o RAC´s que las protegen mecánicamente. Las conexiones entre las diferentes tarjetas se realizan por medio de un circuito impreso denominado BUS   en la parte posterior de los paneles.

El bloque de entradas / salidas sirve de órgano de enlace con la periferia. Memoriza los valores presentes en las líneas de entrada en el momento de la toma en consideración de los datos; así mismo sitúa los valores calculados sobre las líneas de salida.

El procesador es la unidad de tratamiento lógico que ejecuta los cálculos booleanos en función de las instrucciones del programa. La CPU lleva igualmente consigo un conjunto de variables internas utilizables para la memorizaciones intermedias, registros de tiempo y de conteo, registros de índice, etc.
Todo lo que aquí se ha expuesto concierne a tratamiento sobre bits. En caso de tratamientos sobre palabras, los sistemas están compuestos generalmente por dos procesadores y dos bloques de entrada / salida, seleccionados en función del tipo de instrucción

El autómata programable industrial aporta una serie de ventajas como son las siguientes:

- Diseñados y construidos para su aplicación en ambiente industrial.
- Son equipos flexibles, por su carácter programable
- Son fáciles de instalar y reutilizables.
- Construidos de forma que sea fácil el mantenimiento y la localización de averías.
- Pueden emplearse en múltiples tipos de tarea de control en una misma planta, lo que facilita el aprendizaje, permite un mayor conocimiento y explotación de prestaciones.
- Su capacidad de comunicaciones permite la integración en la tarea global de control, o sistema de producción integrado.

3.3.- Concepto de ejecución cíclica.



La mayoría de los autómatas actuales se basan en el concepto de la ejecución cíclica de las instrucciones ubicadas en su memoria.
El programa es una serie de instrucciones grabadas en la memoria, un ciclo de proceso consiste inicialmente en la consideración de un serie de entradas que seguidamente serán fijadas para todo el ciclo. Después, el autómata ejecuta una instrucción tras otra hasta finalizar el programa y finalmente se definen las ordenes a aplicar sobre las salidas. El ciclo se reproduce así indefinidamente.

4.-  Selección del autómata.



En el supuesto de que se adopte la solución autómata para implementar el algoritmo de control de determinada aplicación, se plantea ahora la necesidad de seleccionar, de entre la amplia oferta del mercado, el equipo más adecuado. Como en otros casos, la decisión debe basarse en análisis sistemático de una serie de factores, pero considerando no solo las características actuales de la tarea de control, sino también las necesidades futuras en función de los objetivos de la empresa.

4.1.-  Factores cuantitativos.



Se refieren a la capacidad del equipo para soportar todas aquellas especificadas para el sistema de control y se pueden agrupar en las siguientes categorías:

- Entradas/ Salidas ( E/S ): cantidad, tipo, prestaciones, ubicación, etc.
- Tipo de control: control de una o varias máquinas, proceso, etc.
- Memoria: cantidad, tecnología, expandibilidad, etc.
- Software: conjunto de instrucciones, módulos de programa, etc.
- Periféricos: equipos de programación, dialogo hombre - maquina, etc.
- Físicos y ambientales: características constructivas, banda de temperatura

4.1.1.-  Entradas / Salidas ( E/S )


Determinar la cantidad de señales de Entrada y de Salida, tanto discreta como numéricas y analógicas, que debe ser capaz de tratar el equipo es el primer trabajo a realizar al iniciar la implementación del sistema de control. No hay más remedio que contar el numero de dispositivos cuyo estado  hay que leer o gobernar. Una vez obtenidas estas cantidades es muy recomendable reservar espacio para futuras ampliaciones ( entre un 10 y un 20 % ).
Los fabricantes ofrecen una gran diversidad de soluciones en cuanto a las características constructivas y funcionales de los elementos del sistema de entrada / salida. Aparte de los indicadores LED de estado para señales discretas, hay que procurar que las entradas incorporen filtros para evitar lecturas falsas en caso de señales “sucias” ( rebote de un contacto ).

Para las salidas discretas es preferible que incorporen una protección de sobrecarga, que en caso de ser un fusible, es mejor que sea de acceso frontal ( evitará dejar fuera de servicio todas las salidas del módulo al retirarlo para cambiar el fusible ), y además es deseable que incorporen un indicador de fusible fundido par su inmediata localización.
En cuanto a las E / S de señal analógica se encuentran las adecuadas para el tratamiento de señales, procedentes de instrumentación de campo ( caudal, temperatura, presión, etc. ) y para la regulación ( variación de velocidad, válvulas motorizadas, etc. ) con las bandas de trabajo más usuales. En las características del módulo del fabricante debe especificar los parámetros de precisión de la conversión. Algunos fabricantes ofrecen módulos para señales de bajo nivel.
Para aquellas aplicaciones complejas en las que la realización resulta difícil tanto en lo referente al material como a la programación, los fabricantes ofrecen un conjunto de E / S  quasi - autónomas, están diseñadas para funciones de control PID, posicionamiento multi - eje, control de motores paso - paso, etc.
En el caso de grandes sistemas de control, es de particular importancia dispones de E / S remotas. La ubicación de estructuras de E / S  junto a los dispositivos de entrada y salida y unidas a la Unidad Central con un cable de comunicaciones ( un simple par trenzado ), disminuye drásticamente los costes de cableado, tanto en material como en trabajo de instalación. Por, otra parte, facilita las tareas de puesta a punto y mantenimiento, ya que se pueden realizar por aéreas funcionales sin afectar al funcionamiento del resto del sistema.

4.1.2.-  Tipo de control.



En aplicaciones en las que se pretende el control de varias áreas o maquinas interdependientes, pero con funciones autónomas, se plantea la disyuntiva de optar por el control centralizado o por el control distribuido.
La importancia de dichas funciones por si solas, o la posibilidad de subdividir la tarea de control del proceso o conjunto de maquinas en esas funciones autónomas, determinará en muchos casos la elección de un tipo u otro de control..
El control centralizado presenta el inconveniente de que si el autómata  falla
( particularmente la unidad central ), se produce una parada total de la instalación. En los sistemas de control centralizado donde la disponibilidad del equipo es fundamental
( procesos continuos ), se optará por el empleo de unidades redundantes. Una unidad esta en ACTIVO controlando la E / S  mientras la otra está en reserva o BACK - UP, de forma que si la primera deja de funcionar, la segunda asume el control de las E / S
La opción de control distribuido requiere que puedan considerarse máquinas o grupos de maquinas o áreas funcionales del proceso susceptibles de ser definidas por un algoritmo de control. A cada una de ellas se destinará un autómata dimensionado de acuerdo con los requerimientos de aquella área.
Debido a la interdependencia que existe entre las operaciones que tienen lugar en cada área, hay que tener en cuenta que es necesario interconectar los autómatas entre si o a través de una red de comunicaciones en Área Local para intercambio de datos y estados de E / S; por tanto el autómata evaluado debe permitir las comunicaciones.


4.1.3.-  Memoria.



En este aspecto, es necesario considerar dos características principales: tamaño y tipo de la memoria.
En general la unidades centrales incorporan una cantidad de memoria acorde con su capacidad de control y la potencia del conjunto de instrucciones con las que opera. Para mejor adaptarse a cada aplicación por razones económicas, un mismo equipo suele presentarse con distintas opciones de cantidad de memoria 1 K, 2 K, 4 K, etc. o bien ofrecer la posibilidad de ampliación de una cantidad de memoria de base ya instalada.
La ampliación se hará sobre el propio procesador mediante circuitos integrados o bien mediante módulo de memoria. En cualquier caso la posibilidad de expansión futura de la memoria debe existir para no encontrarse con la necesidad de sustituir toda una unidad central.
No existe una regla fija para la evaluación de la cantidad de memoria necesaria para una determinada aplicación, aunque existen ciertas formulas de aproximación, como por ejemplo multiplicar el numero total de E / S discretas por un factor ( entre 5 y 10 dependiendo del equipo empleado). El valor obtenido debe ser incrementado considerable mente en el caso que el programa incluya cálculos de cierta complejidad, con variables numéricas y datos ( número total de variables numéricas por un factor entre 15 y 30 ).
También para la memoria es altamente recomendable considerar un porcentaje adicional de reserva. Debido a la flexibilidad del autómata es frecuente que el usuario, una vez resuelto el problema de control fundamental de su instalación, se plantee el obtener tal o cual información del proceso u optimizar tal o cual operación ya que los datos y señales existen ya en el control. Esto es cierto, pero hay que programar las instrucciones que ejecuten esas nuevas funciones en la memoria restante o acudir a una ampliación.
El tipo o tecnología de la memoria empleada dependerá de la aplicación concreta. En ciertas aplicaciones es necesario introducir cambios en la secuencia de control con cierta frecuencia, sin posibilidad de detener su funcionamiento; esto solo es posible cuando se está trabajando con una memoria del tipo RAM, por tanto volátil y que requiere un soporte de batería.
En cambio los fabricantes de maquinaria una vez desarrollado, probado y depurado el programa, estarán más interesados en trabajar con memoria permanentes del tipo EPROMM o EEPROM, que proporcionan un medio muy fiable de almacenamiento del programa. En algunos equipos se ofrece la posibilidad de disponer de ambos tipos de memoria, permanente y volátil, en un a misma unidad, de forma que el usuario tiene la posibilidad de modificar con facilidad algunas secuencias.

4.1.4.-  Software.



Con el algoritmo de control definido, el programador tendrá una referencia clara del tipo de instrucciones que son necesarias para programar las secuencias lógicas definidas, pero también de aquellas funciones especiales, particularmente cálculos y tratamiento de datos, comunicaciones, regulación, etc., que requieren instrucciones especiales. Un potente conjunto de instrucciones facilitará la tarea de programación y por lo tanto reducirá el tiempo empleado, y en general reducirá el tiempo de respuesta.

También hay que considerar las instrucciones que permiten el control del ciclo de ejecución, la posibilidad de organización del programa en  módulos funcionales y la existencia de una biblioteca de secuencias pre - programadas, que simplemente con personalizar parámetros y  direcciones de variables que pueden emplearse en el propio programa.

4.1.5.-  Periféricos



Los fabricantes ofrecen distintos niveles de equipos de programación, cuya utilidad depende el tipo de empleo a que se destinen; así los pequeños terminales tipo calculadora son de gran utilidad y económicos cuando se emplean como unidad de monitorización y para pequeñas modificaciones en planta, o para la programación de pequeños sistemas. Sin embargo, trabajar con ellos en programas complejos, puede ser molesto.
En las consolas con pantalla CRT aportan una mayor comodidad así como un gran numero de opciones de interconexión a otros periféricos, particularmente impresoras y unidades de cinta ( cassette o streamer ), algunos de estos equipos llamados terminales inteligentes, permiten la programación autónoma ( off - line ), incorporan medios de archivo de programas ( discos o cintas ) y también capacidad de representación de gráficos.
Actualmente  se ofrecen elementos para la programación mediante los ordenadores PC, lo que abre la posibilidad de disponer de un potente equipo de programación ( varios lenguajes, gestión de producción, etc. ) a un coste aceptable, si se considera que es un equipo multiuso.
Respecto a otros periféricos  en cada caso hay que comprobar que el autómata permite la interconexión  a los que se considere formen parte del sistema de control: impresoras, monitores, unidades de disco, visualizadores y teclados alfanuméricos, unidades de cinta, etc.

4.1.6.-  Físicos y ambientales.



Las características, en cuanto a los materiales empleados, formas de presentación y dimensiones, deben ser analizadas en función de las condiciones mecánicas de la aplicación: aspectos como la forma de realizar el conexionado de los dispositivos de E / S , la existencia en los módulos de reservas para identificación de E / S , y otros, pueden ser importantes en relación al personal que debe realizar la instalación y al que deba mantenerla. En cada caso hay que valorar las condiciones ambientales de la instalación, polvo, humedad, temperatura, y considerar la necesidad de tomar precauciones al respecto ( presurización del armario ).
En general los fabricantes realizan una serie de pruebas cuyos resultados se reflejan en las características técnicas de los equipos: banda de temperatura de trabajo y almacenaje, vibración soportada, nivel de interferencia, etc.

4.2.-  Factores cualitativos.



Una vez evaluados los factores correspondientes a las características técnicas y constructivas de los componentes de autómata y equipos periféricos, el numero de equipos posibles para una determinada aplicación.
En muchas ocasiones la decisión se basa en criterios comerciales y en general limitados al aspecto económico de la adquisición, pero hay que tener en cuenta otros aspectos que en definitiva tendrán una mayor influencia a medio plazo. Es el momento de evaluar factores menos tangibles que se ocultan en las mismas características del equipo y en las del fabricante o el suministrador del autómata.


4.2.1.-  Ayudas al desarrollo del programa.



Proporcionadas por las herramientas de programación ofrecidas y que en un primer nivel se refieren a los analizadores de sintaxis en curso de programación, la indicación inmediata de la transgresión de las normas o formatos de programación. Siguen, la potencia de los mandatos de edición y modificación, referencias cruzadas, visualización dinámica e histogramas de contactos.
Otras ayudas, son los medios de documentación del programa, tanto en lo que se refiere a listado de instrucciones, listado de referencias cruzadas, como la posibilidad de edición de un manual de la instalación que incluya el conexionado de E / S , situación física de módulos componentes, etc.
En las fases de puesta a punto suele ser interesante disponer del mandato de imposición de condición o forzado, tanto lo que se refiere a E / S  como a variables internas. Este mandato permite que el usuario determine el estado o valor de la variable independientemente del que le corresponda por el desarrollo del proceso o del programa.
Estas ayudas reducen los tiempos de programación, y puesta a punto que constituyen siempre un coste significativo en los sistemas programables.

4.2.2.-  Fiabilidad del producto.



Este es un factor de particular importancia, si tenemos en cuenta que una falta de fiabilidad se traduce directamente en tiempos de parada y por tanto, costes de producción.
Un indicador de la fiabilidad lo constituyen los parámetros del tiempo medio entre fallos, que a buen seguro el fabricante está dispuesto a proporcionar, al igual que otros datos, acerca de su control de calidad en curso de fabricación.
Pero otro indicador lo constituyen las experiencias de otros usuarios y la existencia de otras instalaciones similares en las que el equipo ha probado su valía; consúlteles acerca de su experiencia con el equipo y la firma.

4.2.3.-  Servicios del suministrador.


Ya en los primeros contactos con los potenciales suministradores se puede obtener una idea de la capacidad y voluntad del soporte técnico que el vendedor está en condiciones de ofrecer. Es particularmente indicativa la respuesta que el suministrador es capaz de dar a cuestiones preliminares, que no se hallan de forma explícita en los catálogos.
La formación del personal de programación o de mantenimiento, es un capitulo importante, ya que cuanto mejor se conozcan y comprendan las características y prestaciones del equipo, mayor rendimiento se obtendrá de él.
Los suministradores ofrecen cursos de formación en sus instalaciones, aunque también es posible acordar cursos en planta que permiten al usuario formar a un mayor numero de técnicos.
Los cursos suelen contratarse, aunque en ocasiones se ofrecen gratis con la compra del equipo; este es un punto a acordar en el momento de cerrar la adquisición.
Una vez instalado el equipo, adquiere importancia la asistencia técnica. Esta asistencia puede abarcar desde un servicio de consulta a un técnico de servicio al lugar de la instalación.
Otro elemento de gran valía es la disponibilidad de una buena información técnica que cubra tanto los aspectos de instalación y programación como el mantenimiento. La información debe estar bien organizada, debe ser clara y con ilustraciones de calidad y es deseable que incluya ejemplos y notas de aplicación ( para una mejor explotación de las instrucciones de programación ).
Por ultimo hay que considerar las disponibilidad del producto y de recambios. La disponibilidad de recambios en un tiempo mínimo es fundamental ya que, aunque deben existir recambios en el almacén de mantenimiento, no es posible ni rentable cubrir la totalidad de componentes.

4.2.4.-  Normalización en planta



Pueden considerarse dos posturas respecto a la normalización de una determinada firma para cubrir todas las necesidades de empleo de autómatas:

1) Actualmente, los fabricantes ofrecen familias de productos compatibles entre si que cubren todas las necesidades, desde pequeños sistemas hasta aquellos capaces de controlar miles de E / S, que pueden comunicar a través de redes locales, y se configuran empleando componentes de E / S comunes a todos los modelos. En este aspecto la adopción de una sola marca cubre todas las necesidades y presenta las siguientes ventajas:

- La formación del personal respecto a nuevos componentes es simplemente una ampliación de conocimientos previos.
- Se reduce el stock   de recambios distintos.
- Una unidad que se amplíe, en todo caso requerirá simplemente el cambio de la unidad central por otra más potente o añadir más memoria a la existente y reprogramar

2) Por otra parte existe un factor de riesgo en la dependencia única de un solo suministrador. Además, los productos de distintos fabricantes no son intercambiables por ahora, lo que complica la situación. Hay que pensar  con más  de una marca ( dos a lo sumo ) de forma que el personal técnico esté formado en el empleo de un tipo de equipo, y tener una alternativa cada vez que se presenta una nueva aplicación.
Las desventajas originales  que representa tener que conocer dos o tres sistemas distintos, probablemente con lenguaje distintos y equipos de programación propios, van desapareciendo por la mayor similitud de los equipos actuales, las opciones de programación a través del ordenador, la disponibilidad de módulos de interconexión entre unidades de distintos fabricantes y la interconectabilidad de redes locales.

5.-  Configuración, instalación y puesta a punto.



La configuración del autómata es un proceso mediante el que se determina como y donde se sitúan los distintos componentes del sistema de control.

La configuración dependerá de la tarea de control propiamente dicha y del tipo de control que se haya decidido y contempla tanto los elementos del autómata como sus periféricos.

Durante la elaboración del algoritmo de control, se han determinado las entradas y salidas, tanto discretas como numéricas, y estas se han relacionado mediante diagramas o esquemas lógicos: la cantidad y tipo de las E / S  determina qué componentes son necesarios.
La mejor manera de realizar la configuración es confeccionar un mapa de direccionado, en el que mediante una representación de las estructuras de E / S se indica qué componentes se ubican en el local junto a la unidad central y cuales se sitúan en posiciones remotas. Concluida la configuración  del sistema, pueden comenzar simultáneamente dos trabajos: la programación y la instalación.


5.1.-  Instalación.



Dadas las características constructivas y de diseño de los autómatas programables, su instalación es viable en prácticamente cualquier ambiente industrial siempre que no se sobrepasen las especificaciones dadas por el fabricante. No obstante, existen ciertas recomendaciones prácticas para asegurar un correcto funcionamiento del sistema, que atañen principalmente a las condiciones de temperatura y humedad y al inmunidad frente a interferencias eléctricas.
En general el autómata se montará en un armario de maniobra de dimensiones adecuadas para contener con holgura los componentes del equipo y el resto de elementos, como interruptores / seccionadores y fuentes de alimentación, circuitos de protección, conductos de cableado, etc. se recomienda el empleo de armarios metálicos ya que minimizan los efectos de la radiación electromagnética generada por equipos de conmutación instalados en las inmediaciones. Para la instalación, se seguirán las norma y reglamentos vigentes de aplicación habitual en cualquier instalación eléctrica de control
La convección  natural es suficiente ya que la mayoría de los fabricantes preparan los autómatas para que trabajen a una temperatura máxima de 60º .


5.2.-  Situación de los componentes.



Los componentes del autómata se montaran siguiendo las recomendaciones del fabricante y en todo caso se pueden seguir las siguientes pautas de aplicación general:
- Es recomendable el montaje vertical de los componentes para facilitar la convección y disipación del calor. .
- Las fuentes de alimentación deberán ocupar una posición por encima del resto de componentes y en la parte superior del armario, ya que son generadores de calor.
- La unidad central ocupará una posición adyacente o por debajo de las fuentes de alimentación, en la zona superior del armario, quedando a una altura que facilite su inspección.
- Los racks de E / S estarán dispuestos de la forma más conveniente para el acceso y cableado, en el espacio libre.
- Se dejarán espacios suficientes entre los componentes y entre estos y la envolvente para una adecuada disipación del calor.
- Para el resto de componentes del sistema, se recomienda su instalación en posiciones lo más alejadas del equipo que ea posible, principalmente si se trata de componentes electromecánicos, para minimizar las interferencias electromagnéticas.

5.3.- Cableado.



Siempre que sea posible, en la configuración del sistema se intentará agrupar los módulos por categorías en cuanto a entradas / salidas, tensión alterna o continua, señales discretas o analógicas.
Una configuración por grupos permite un cableado racional y una necesaria segregación de los cables de señal débil respecto a los que alimentan cargas, y de los de comunicaciones. Siempre que sea posible se separarán los cables de CC de los de CA, para minimizar las interferencias producidos  por la conmutación de cargas y también los cables de interconexión de racks y de comunicaciones se separan completamente de otros.

5.4.-  Puesta a tierra.



Se seguirá lo especificado en la normativa vigente y las recomendaciones del fabricantes, pero hay que recordar que cada una de las estructuras ( racks ) del autómata, debe estar unida mediante un cable independiente de sección adecuada, a la pletina de tomas de tierra del armario. Nunca deben compartirse circuitos de tierra entre racks o con otros componentes del sistema

5.5.- Circuitos de seguridad.



Los dispositivos de parada de emergencia se instalarán con independencia del autómata, para permitir la parada del sistema aún en caso de avería del mismo; en general, deben actuar sobre un contactor de maniobra que corta la alimentación a las cargas de la instalación.

5.6.-  Circuito de los disposición de E / S.



en general, o por lo menos para los dispositivos de salida, es deseable que exista un contactor de maniobra que permita cortar la alimentación de esos elementos y que hará posible trabajar con seguridad en la puesta a punto o investigación de averías, con el autómata alimentado.

5.7.-  Alimentación.


Se recomienda el empleo de transformadores separadores de alimentación ya que proporcionan una buena protección frente a interferencias introducidas en las líneas por la conmutación de cargas importantes existentes en la instalación. Además es deseable que los dispositivos de E/ S se alimenten de la misma línea que el autómata, ya que la fuente de alimentación del mismo posee circuitos de detección de nivel de tensión que provocan la secuencia de parada del equipo en caso de anomalía en la red, y de este modo se evitarán las falsas lecturas de señal de entrada.
Algunos autómatas incorporan una fuente auxiliar de 24 Vcc para uso externo de los dispositivos de entrada sobre módulos de entrada a 24 Vcc.
Hay que vigilar que no supere la capacidad de esta fuente, particularmente cuando se alimentan de ella dispositivos estáticos ( detectores inductivos, fotoeléctricos,  etc. ) y deben seguirse las recomendaciones de cableado del fabricante para minimizar la posibilidad de interferencia sobre estos circuito.

En caso de que se prevea la existencia de variaciones de tensión en la línea de alimentación que puedan superar los márgenes de trabajo especificados para el equipo, habrá que instalar transformadores estabilizadores, para evitar frecuentes paradas del sistema; en estás circunstancias es mejor alimentar las salidas del autómata directamente desde la línea de entrada para descargar el transformador permitiendo que sea de una menor potencia.

5.8.- Consideraciones sobre la instalación de E / S.


Cuando se emplean dispositivos electrónicos de detección como elementos de entrada, hay que tener en cuenta la corriente residual de los mismos (detectores de 2 hilos de corriente alterna). En general, el problema se reduce a que el indicador de entrada se ilumina tenuemente, pero en ocasiones, cuando la corriente residual es elevada, o dependiendo de los umbrales de disparo del circuito de entrada pueden darse señales falsas.
Cuando los dispositivos de entrada trabajan a niveles de señal débil como TTL, analógicas, termopares, etc., hay que realizar conducciones de cableado separadas para evitar el problema de la inducción. Además, para evitar las interferencias electromagnéticas, se recomienda la instalación mediante cables trenzados y apantallados.
Los circuitos de salida controlan habitualmente cargas inductivas (solenoides), que provocan la aparición de picos de tensión cuando se interrumpe el circuito de alimentación (descarga del circuito inductivo). Estas crestas, que pueden alcanzar varios centenares de voltios, deben ser suprimidas, ya que pueden averiar los circuitos de salida (estáticos ) y provocar interferencias en todo el sistema. Los fabricantes suelen incorporar supresores de transitorios en los circuitos de los módulos de salida pero a veces no son suficientes para evitar anomalías.
En general los módulos de salida incorporan circuitos fusibles de protección dimensionados  adecuadamente a las características nominales de la salida (transistor, triac); si no es así, hay que instalarlos en el exterior (regleta de bornes) teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante ya que no protegerán adecuadamente la salida en caso de sobrecarga si no están bien dimensionados.

5.9.-  Puesta a punto.



Una vez montado e instalado el equipo y cargado el programa en la memoria de la Unidad Central, hay que poner en marcha el sistema para comprobar que responde adecuadamente a la descripción de la tarea de control original, y en su caso realizar las correcciones y mejoras oportunas.

Antes de dar alimentación, hay que hacer una serie de comprobaciones rutinarias pero importantes:

1.- Comprobar que todos los componentes del Autómata están en su lugar ( el que corresponde a la configuración) perfectamente insertados en sus conectores y asegurados.
2.- Comprobar que la línea de alimentación está conectada a los correspondientes terminales de la fuente de alimentación del equipo, y que se distribuye adecuadamente a los módulos de entrada y salida (si procede).
3.- Verificar que los cables de interconexión entre racks están correctamente instalados.
4.- Verificar que los cables de conexión a periféricos están correctamente instalados.
5.- Verificar que las conexiones de los bornes de E/S están firmes y corresponden al esquema de cableado.
6.- Verificar que las conexiones a los módulos de E / S están firmes y corresponden al esquema de conexiones.

Previo al ensayo de funcionamiento según lo programado, hay que comprobar que los dispositivos de E/S funcionan correctamente,

a) Con el equipo en PARO (STOP, HALT, DISABLE, TEST, etc. dependiendo del modelo ) aplicar tensión al sistema.
b)  Verificar que los indicadores de diagnóstico de la Unidad Central reflejan una situación correcta.
c) Comprobar que los paros de emergencia actúan correctamente.
d) Accionar los dispositivos de entrada manualmente y verificar que su estado es registrado por el Autómata; el funcionamiento se puede seguir en los indicadores de los módulos y también se puede seguir visualizando la tabla de E/S mediante un equipo de programación.

Para la comprobación de los dispositivos de salida, hay que cortar la alimentación de las cargas que pudieran dar lugar a situaciones peligrosas y verificar con el procesador en MARCHA (RUN) que las salidas se activan. Esta comprobación resulta más fácil si se utiliza un terminal de programación en el modo ‘forzado de E/S” para activar o desactivar las salidas una a una.

Una vez finalizadas todas las comprobaciones anteriores, hay que introducir el programa en la memoria de la Unidad Central y dar alimentación al sistema. Se recomienda que siempre que sea posible, las pruebas de funcionamiento se hagan por áreas, particularmente si se trata de sistemas grandes, dejando fuera de servicio los componentes de las áreas que no se prueban; esto puede realizarse cortando la alimentación de campo de los racks de E / S o inhibiendo su funcionamiento, incluyendo las oportunas instrucciones en el programa (MCR) que se eliminarán una vez concluidas las pruebas.

Verificadas y corregidas las distintas secuencias, el sistema puede arrancar en automático debiendo funcionar correctamente si todas las comprobaciones se han efectuado con éxito. Las correcciones efectuadas, tanto en la instalación como en el programa deben ser documentadas inmediatamente, y se obtendrán copias del programa definitivo (copia, en disco o cinta) tan pronto como sea posible.

6.-  Identificación y resolución de averías.



Aunque los Autómatas Programables son equipos robustos y bien adaptados al medio industrial, es necesario establecer ciertas rutinas de mantenimiento preventivo para disminuir la probabilidad de fallo o avería.
Unas pocas operaciones de mantenimiento, programadas de forma regular harán que el sistema esté disponible completamente por largos períodos de tiempo.

6.1.-  Inspección periódica de la Unidad Central y Sistema de E / S



1.-  Observación de los indicadores de diagnóstico del procesador.
2.- Cambio de las baterías  antes de que se cumpla la fecha limite para su sustitución; en todo caso existe un indicador de “batería baja” que puede registrarse en una secuencia de programa y generar una alarma.
3.-  Observación de los indicadores de “fusible fundido” de los módulos de salida. En general. la existencia de un fusible fundido se detectará por un funcionamiento anómalo del sistema pero para algunas cargas de funcionamiento esporádico esta circunstancia podría pasar desapercibida si no se inspecciona el módulo.
4.-  Observar las conexiones en el cableado de los módulos de E / S y las conexiones de los módulos al rack para comprobar si siguen perfectamente asentados y sujetos.

6.2.-  Inspección periódica del armario



1.- Cuando en si armario se han instalado elementos de convección forzada, hay que comprobar periódicamente el estado de los filtros y limpiarlos de polvo para mantener una buena circulación.
2.-  Hay que evitar que se produzca acumulación de polvo y suciedad en el Autómata. Para facilitar la disipación del calor generado por los circuitos, los componentes del equipo presentan aberturas que permiten la entrada de polvo, y en caso de acumulación, pueden resultar averiados los componentes electrónicos, ya que la suciedad evita la correcta disipación del calor y puede ser causante de cortocircuitos.
3.-  Comprobar que no se está trabajando con equipos pesados generadores de interferencias electromagnética en las proximidades del armario, ya. que esto podría afectar el funcionamiento del equipo.
Cuando se presenta una anomalía en el funcionamiento del sistema hay que recordar que el programa ha estado respondiendo a las secuencias de control de forma satisfactoria hasta la fecha, ya menos que alguien lo haya manipulado no puede ser el causante del fallo. La anomalía debe tener su origen en alguno de los componentes del sistema. La identificación de un fallo es un proceso de acotación y eliminación, para el que son de gran ayuda los indicadores de diagnóstico del Autómata y los códigos de error que sea capaz de elaborar la Unidad Central.

Las averías que pueden considerarse graves son aquellas que pueden provocar la parada total del sistema, y afectarán en general a la Unidad Central (particularmente al procesador), módulos de memoria y módulos de interconexión de sistema de E / S. Estas averías quedan reflejadas en los indicadores de diagnóstico del módulo afectado, y además el tipo de fallo puede ser identificado mediante el código de error generado a través de un equipo de programación o test; no obstante la resolución de la avería supone el cambio del módulo causante sin más posibilidad de intervención del usuario.

Cuando se trata de funcionamientos anómalos estando el Autómata operativo, hay que identificar la secuencia de control afectada y los dispositivos de E / S que intervienen en ella.

En cuanto a los módulos de entrada, el primer paso es observar si el indicador responde adecuadamente a las acciones del dispositivo de campo (pulsador, final de carrera, etc.). Si el indicador no responde a dichas acciones hay que verificar el nivel de tensión que aparece en los bornes de entrada del módulo; si es el adecuado es posible que exista una avería en el módulo y hay que sustituirlo. En ocasiones resulta ser el procesador el que no reconoce la señal de entrada, pudiendo estar la avería a nivel de módulo o del rack, aunque en este último caso quedaran afectados varios circuitos de entrada y salida.

En el caso de fallos en las salidas, si el indicador de la salida afectada evoluciona de acuerdo con las secuencias programadas, hay que observar los indicadores de fusible fundido y comprobarlo y si está en condiciones, verificar el cableado hasta el dispositivo de campo. Si la salida no se activa de acuerdo con el programa, entonces el módulo o el circuito de salida en cuestión están averiados y hay que proceder a su sustitución.

La sustitución de un módulo de E / S se hará con el equipo sin tensión aunque hay sistemas que permiten el cambio aún bajo tensión. En cualquier caso es recomendable que se desconecte la alimentación de los dispositivos de campo afectados al retirar y reinsertar el módulo en el rack.

7.-  Equipos de programación



El  equipo de programación de un autómata tiene por misión configurar, estructurar,  programar, almacenar y aprobar las diferentes funciones del automatismo, tanto las contenidas en la CPU básica, como las que aparecen en las CPU auxiliares y módulos periféricos. Se define entonces el equipo de programación como el conjunto de medios hardware y software mediante los cuales el programador introduce y depura las memorias del autómata las secuencias de instrucciones (en uno u otro lenguaje ) que constituyen el programa a ejecutar.
Son funciones específicas de los tipos de programación las siguientes

- Escritura del programa de usuario, directamente en la memoria del autómata, o en la memoria auxiliar del mismo equipo. Verificación sintáctica y formal del programa escrito.
- Edición y documentación del programa o aplicación.
- Almacenamiento y gestión del programa o bloques del programa.
- Transferencias de programas de y hacia el autómata.
- Gestión de errores del autómata, con identificación de los mismos, ayudas para su localización y corrección, y reinicialización del sistema.

Además de las funciones anteriores, es muy frecuente encontrar otras adicionales:

- Puesta en marcha y detención del autómata (RUN / STOP ).
- Monitorización del funcionamiento, sobre variables seleccionadas o sobre las propias líneas del programa.
- Forzado de variables binarias o numéricas y preselección de contadores, temporizadores y registros de datos.
El programador se comunica con el equipo utilizando un entorno operativo simplificado, con comandos como editar, insertar, buscar, transferir. etc.
Introducido el programa, el equipo de programación lo compila a:

- Código máquina ejecutable directamente por el procesador del autómata.
- Código intermedio interpretado por el procesador del autómata para obtener un código máquina ejecutable.

En el primer caso, el equipo será especifico para el autómata considerado, o ha sido configurado para él, mientras que en el segundo podrá utilizarse para autómatas equipados con diferentes procesadores, aunque siempre del mismo fabricante, restricción obligada por el empleo de lenguajes, o variantes de lenguaje, particulares por cada fabricante.
Debe indicarse que el programador necesita siempre introducir una configuración adicional sobre el equipo, a fin de que el sistema pueda verificar el mapa de memoria que se está utilizando, aceptar o no instrucciones particulares, comprobar el número y tipo de variables utilizadas, etc.

En general, los equipos de programación podrán ser de dos tipos:

- Específicos, bajo la forma de una consola o terminal conectado directamente a la entrada de programación del autómata.
- Implementados sobre una máquina de uso general, mediante un software dedicado que corre bajo un entorno operativo de amplio uso (DOS, UNIX, WINDOWS).

Entre los equipos específicos, y según su complejidad, podemos distinguir dos variantes:
- Consola o unidad de programación.
- Terminales de programación.

Aunque existen pocas diferencias entre unas  y otros, éstas se hacen diferentes cuando se considera la facilidad de manejo e integración de ayudas al programador: almacenamiento, documentación, trabajo con símbolos, etc., las cuales son funciones propias de los terminales que no aparecen o son muy reducidas en las consolas de programación.

7.1.-  Consolas de programación



Las consolas son pequeños dispositivos de bolsillo que permiten la programación,  ajuste y diagnostico del autómata , con un visualizador (”display”) apto para observar una (o pocas) líneas de programa, literal o de esquema de contactos, y un teclado alfanumérico dividido en tres. zonas:

- Teclas de comandos (insertar, borrar, transferir, etc.),
- Teclas de instrucciones (LOD, AND, NOT, TIM, etc.),
- Teclas numéricas, normalmente decimales ( 0, 1, 2, etc.).

Son dispositivos portátiles y de bajo precio ( aunque significativo frente al de un microautómata ), especialmente útiles para las intervenciones de ajuste en planta: edición de alguna línea de programa, forzado de variables durante la puesta a punto, modificación de valores numéricos de preselección, etc., aunque para aplicaciones más ambiciosas presentan los problemas inherentes a su simplicidad:

- Dificultades para trabajar con más de un programa simultáneamente,
- Dificultades para el almacenamiento y/o impresión de programas: necesita conectarse a una unidad exterior (PC, terminal de programación, módulo de conexión a impresora) para alcanzar estas funciones.
- Muy baja o inexistente capacidad de documentación del programa (uso de símbolos, textos de ayuda, etcétera).

Pese a estos problemas, las consolas de programación son verdaderos terminales inteligentes, con su propio procesador y memorias, que permiten trabajar, con una alimentación auxiliar, fuera del entorno del autómata, lejos de la planta donde éste está instalado, facilitando el desacoplo entre la edición y la explotación del programa.
En el caso de autómatas equipados con memorias extraibles, tipo EPROM o EEPROM, la consola permite también la grabación de esta memoria. La tendencia actual, sin embargo, pasa por incorporar la memoria (EEPROM), junto con los circuitos de programación de la misma, en el interior del autómata, oculta para el usuario, siendo la propia CPU la que se encarga del control de grabación a partir de los datos transmitidos desde la consola.

7.2.- Terminales de programación.


El terminal de programación se distingue de la consola por su teclado tipo QWERTY y su pantalla de gran tamaño, que permite la visualización de bloques completos de programa, con identificación simbólica de las variables y menús de ayuda ” on line “.
Con todos los elementos propios de un miniordenador  autónomo , a saber

- Procesador, memorias, interfaces y puertos de entrada / salida, monitor y teclado, sistema operativo y software de aplicación.

Los terminales constituyen verdaderas estaciones autónomas de trabajo dedicadas a la programación de autómatas y, de hecho, su objetivo común consiste en integrar un puesto de trabajo evolucionado que permita programación combinada en distintos lenguajes, edición del programa por bloques, manejo de librerías, simulación del programa resultante, conexión a otros ordenadores por red informática, o a redes de autómatas específicas del fabricante, etc. El manejo de estos terminales es muy simple, gracias al empleo de teclas funcionales y ayuda en línea que facilitan el acceso a todas sus funciones:

- Programación ” off / on line “, búsqueda y corrección de instrucciones, señalización del estado de señal, mando de variables y autómata, programación en EPROM y en  EEPRO M, archivo en disco y disquete, usados por impresora, etc.

En programación ” off / on line “, los programas se confeccionan sin conexión entre el aparato y el autómata, y una vez finalizados se transfieren a módulos de memoria independientes  enchufables después al autómata, o se mantienen en la memoria del aparato de programación para su transferencia directa a la memoria del autómata.
En programación ” on line ” los programas se confeccionan, prueban y corrigen sobre el mismo autómata, unido directamente a la unidad de programación.

El sistema operativo incorporado por terminales específicos  es particular para cada fabricante por lo que no se pueden intercambiarse entre si. Sin embargo un terminal dado permite la programación de varios o todos los autómatas  de la marca y la edición de programas en sus lenguajes propios, libres o gráficos con múltiples opciones de documentación: edición de texto dentro del programa, encabezados y pies de pagina, programación bólica sobre variables, información de referencias cruzadas, resúmenes del programa, planos de ocupación de entradas, salidas y variables internas, etc.


7.3.- Software para la programación.



Los paquetes de software para programación de autómatas convierten un ordenador personal en un equipo de programación específico, aprovechando sus potentes recursos de interfaz con otros sistemas (impresoras, otros PC) y con el usuario (teclado, monitor), y el bajo precio del hardware debido a la estandarización y generalización de uso de los ordenadores compatibles. Esta opción (PC + software ) constituye, junto con las consolas , y éstas en menor medida, prácticamente la totalidad de equipos de programación utilizados por los programadores de autómatas.
Los requisitos de hardware y software exigidos para instalar sobre el PC un entorno de programación de autómatas suelen ser, en general, muy ligeros, sobre todo cuando la instalación se realiza sobre sistema operativo DOS:

- Ordenador PC/AT compatible (procesador 286/386 en adelante ), sistema operativo instalado MS-DOS 3.0 o superior, 470 K de memoria RAM convencional (frecuentemente, no se utiliza memoria extendida o expandida), lector de disco de 5 ¼  o 3 ½  pulgadas para cargar el software, un puerto serie COMI/COM2 para conexión con el autómata, y excepcionalmente otro para manejo del ratón,  opcionalmente, un puerto paralelo de conexión con impresora para volcados de impresión.

Algunos entornos actuales que corren bajo Windows presentan exigencias algo más duras en cuanto al hardware necesario en el PC (procesador 486 o superior, 8 Mbytes RAM,…), aunque en la práctica quedan cubiertas si el equipo está ya soportando el entorno Windows.
El paquete de programación se completa con la unidad externa de conexión que convierte y hace compatibles las señales físicas entre la salida serie estándar de PC (RS-232C, RS-422/485) y el puerto de conexión de la consola del autómata, canal usualmente utilizado también para la conexión con el PC.

7.4.-  Modos de trabajo de los equipos de programación.



Los equipos de programación funcionan en diferentes modos, según la fase del desarrollo en que se encuentra el programador:

- Edición del programa de usuario, puesta a punto de la aplicación, documentación, etc.
Dentro de cada modo, el programador accede a sus funciones propias mediante los comandos específicos ( por ejemplo, en modo editor, borrar, insertar, buscar, substituir, etc.).
Dado que la función básica del equipo de programación consiste en introducir y corregir un programa sobre el autómata, los modos de trabajo de los diferentes equipos son semejantes entre sí, aunque, en la práctica, su presentación pueda tener un aspecto muy diferente entre unos y otros fabricantes. De hecho, resulta muchas veces más difícil conocer y utilizar con soltura una unidad de programación dada que encontrar las diferencias de programación entre uno y otros autómatas, sobre todo si utilizan el mismo lenguaje (instrucciones, contactos. etc.).
Los terminales y los entornos software de programación sobre PC incorporan teclas funcionales multiplexadas, con diferente función (comando) según el modo de trabajo en que se encuentre la unidad, y pasos entre modos organizados PO, menús en árbol.
Más sencil1as, las consolas permiten menos variedad funcional, y las funciones de uso más frecuente suelen aparecer identificadas con su propio nombre grabado sobre la tecla: insertar, borrar, transferir, comparar, etc.

7.5.-  Resumen.



En una aplicación con autómata programable el usuario actual (programador u operador) necesita comunicación con la máquina para programar y depurar el programa, para acceder a los estados de planta y para forzar secuencias de mando sobre el sistema.
Estas funciones son cubiertas por las unidades de programación, equipos y entornos software inteligentes dedicados, con interfaces sencillas para el usuario, y con canales y protocolos de conexión con el autómata ya resueltos.
Con ellos, el usuario accede a las funciones que necesita (programación, depuración, visualización, forzado, etc.) de forma rápida y flexible, según procedimientos interactivos que facilitan la aplicación del autómata a cualquier proceso industrial.
Un primer bloque de equipos lo constituyen las unidades de programación, diagnóstico y test, destinadas a facilitar la edición y puesta a punto de programas de autómata.
Las unidades de programación son equipos físicos específicos o entornos software sobre PC que permiten la edición y depuración del programa utilizando sistemas operativos amables que no exigen del programador ser un experto informático.
Todos estos equipos facilitan la interfaz del usuario con el autómata y la planta y le permiten un mayor control interactivo sobre la misma, sin necesidad de conocer los lenguajes y equipos de programación del autómata utilizado.

Autor:

Luthor





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