Resultats d'aprenentatge

En acabar la unitat formativa, heu de ser capaços del següent:

1. Identificar els components i dispositius utilitzats en automatismes cablats i programables, a partir d'esquemes i documentació tècnica.

2. Diferenciar entre la part de comandament i la part de potència en automatismes cablats i programables, a partir d'esquemes i documentació tècnica.

3. Interpretar el programa de control d'un automatisme programable, a partir de les relacions de cada part o subrutina del programa amb les especificacions funcionals de l'equip.

4. Relacionar modificacions en elements del circuit o amb parts del programa de control amb variacions dels paràmetres característics de l'equip.

5. Elaborar el quadern de càrregues d'un automatisme a partir de les especificacions funcionals sol·licitades.

6. Seleccionar la solució més adient, mitjançant un sistema programable, per a cada aplicació que s'ha d'automatitzar, a partir de les seves característiques.

7. Codificar programes de control en algún llenguatge (contactes, llista d'instruccions i altres), a partir de les especificacions de projecte i diagrames de seqüència.

Material didàctic

• Maquinari i funcionament intern dels autòmats programables
• Instruccions bàsiques de programació dels autòmats programables 1
• Instruccions bàsiques de programació dels autòmats programables 2

Resum

Instal·lació electromecànica

Entenem per instal·lació electromecànica qualsevol instal·lació que s'alimenta amb energia elèctrica i mitjançant components mecànics realitza una tasca determinada i produeix un producte final.

Els components fonamentals d'una instal·lació electromecànica són:

• Pupitre de comandament.
• Maquinària o instal·lació.
• Quadre de control.

El quadre de control rep senyals elèctriques del pupitre de comandament i de la maquinària i en funció de les condicions de l'automatisme envia senyals a la maquinària perquè es posi en marxa i al pupitre per informar de l'estat del funcionament.

Autòmat programable

El PLC, l'autòmat programable, substitueix en el quadre de control els elements com relés, temporitzadors, etc., que defineixen les condicions de l'automatisme o algoritme de control.

Quan treballeu amb un PLC, els captadors es consideren entrades i els actuadors sortides.

L'algoritme de control amb una instal·lació amb un autòmat programable està definit en el programa del PLC, no en les connexions elèctriques de l'automatisme.

Programa de l'autòmat programable

El programa de l'autòmat programable d'una instal·lació està format per una sèrie ordenada d'instruccions que corresponen a l'esquema elèctric que faríeu si realitzéssiu la instal·lació amb lògica cablada.

Cada instrucció del programa d'un PLC està formada per tres dades:

• Operació: ha d'indicar què fa aquest element dintre del circuit o, dit d'una altre manera més entenedora, com està connectat, en sèrie, en paral·lel, etc.
• Operand: ha d'indicar quin tipus d'element és: entrada, sortida, etc.
• Paràmetre: ha d'indicar quina entrada o sortida és: 1, 2, 6, etc.

Els programes es realitzen mitjançant uns llenguatges adaptats als usuaris i que poden ser:

• Esquema de contactes.
• Diagrama de funcions.
• Llista d'instruccions.
• Grafcet (graphe de comande étape-transition).
• Llenguatges d'alt nivell.

I l'autòmat el compila per codificar-lo en una informació binària en què només hi ha zeros i uns, i els guarda en unes memòries.

Memòries

Les memòries són circuits integrats que emmagatzemen tota la informació codificada en binari; en funció de les tecnologies emprades en la fabricació i la seva funcionalitat poden ser dels tipus següents:

• RAM (random access memory), memòria d'accés aleatori.

• ROM (read only memory), memòria únicament de lectura.

• PROM (programmable read only memory), memòria únicament de lectura programable.

• EPROM (erasable PROM), memòria únicament de lectura programable, encara que és possible esborrar-la totalment.

• EEPROM (erasable electrically PROM, programmable read only memory erasable electrically), memòria únicament de lectura programable i esborrable elèctricament, és a dir, parcialment.

Unitat central de processament

La CPU (unitat central de processament) del PLC és l'encarregada d'organitzar totes les tasques de control i comunicació entre els diferents components de l'autòmat programable: entrades, sortides, registres d'entrades i sortides, programa d'usuari, mitjançant els busos de comunicació.

Consta bàsicament del següent:

• ALU, unitat aritmeticològica.
• Memòries internes.
• Comptador d'adreces o rellotge.

Execució del programa

El programa es llegeix contínuament, instrucció rere instrucció, i cada lectura completa del programa s'anomena cicle o scan.

El temps que tarda la CPU a executar un cicle es diu temps de cicle o scan, i solen ser valors entre 10 i 200 ms.

Condicionament dels senyals d'entrada i sortida dels PLC

Tots els elements externs al PLC s'hi connecten mitjançant mòduls o targetes.

Aquestes targetes adapten i filtren els diferents tipus de senyals elèctrics perquè puguin ser tractats pel PLC i garanteixin un funcionament correcte.

Els diferents tipus de senyal que poden tractar les targetes d'entrades i sortides són:

• Digitals o analògics.
• De corrent continu o altern.
• De tensió o d'intensitat.

Maquinari dels autòmats programables

La majoria d'autòmats porten incorporats a la CPU mateixa els components bàsics, que en el cas de l'autòmat S7-200 de Siemens són:

• Memòria de programa de 12 MB.
• 14 entrades i 10 sortides digitals.
• Ampliable fins a 7 mòduls.
• 2 potenciòmetres analògics.
• Rellotge en temps real.
• Port de comunicació.
• 32 B de registres interns.
• 256 temporitzadors.
• 256 comptadors.

Conversió d'un esquema elèctric en un programa per a un PLC

Per poder introduir un esquema d'automatismes en l'autòmat programable, és a dir, per realitzar un programa per a un PLC, heu de conèixer en primer lloc en quins borns de connexió del PLC estan connectades les entrades i les sortides de l'esquema, representat en l'esquema de connexions d'entrades i sortides. També heu de conèixer l'algoritme de control, és a dir, les condicions de funcionament de la instal·lació, representat en l'esquema de lògica cablada.

Una vegada tingueu això clar, només es tracta de convertir l'esquema simplificat segons la norma europea, l'esquema de lògica cablada, a la representació americana, l'esquema de contactes amb els paràmetres d'entrades i sortides corresponents.

Interpretació de l'esquema convertit en programa per part de l'autòmat programable

En la figura teniu l'esquema de lògica cablada que representa l'algoritme de control o condicions de funcionament i el programa en esquema de contactes que interpretarà el PLC. En l'esquema de connexions de les entrades i sortides hi ha representat que l'interruptor S1 és un contacte normalment obert connectat a l'entrada 0.1 i que la bombeta H3 està connectada a la sortida 0.3.

Si analitzeu l'esquema de lògica cablada de la figura veureu que, en tancar l'interruptor S1, arriba la línia L1 al born superior de la bombeta H3 mitjançant el fil que uneix els dos elements, i com a la part inferior de la bombeta arriba la línia L2, aquesta s'il·lumina en arribar-li les dues línies d'alimentació.

Amb el PLC no hi ha connexió elèctrica entre l'interruptor i la bombeta, i és el programa el que fa que en funció de l'estat de l'interruptor doni l'ordre de connectar o desconnectar la bombeta, i ho fa de la manera següent:

• L'autòmat llegirà el valor que tingui l'entrada I0.1 i l'assignarà a la sortida Q0.3; per tant, si l'interruptor està obert, no deixarà passar corrent i no arribarà tensió al born corresponent a l'entrada I0.1, per la qual cosa el PLC prendrà aquesta informació com un "zero" i carregarà aquest zero a la sortida Q0.3, és a dir, no subministrarà tensió al born corresponent i, per tant, no funcionarà la bombeta H3.

• Quan es tanqui l'interruptor, arribarà tensió al born de l'entrada I0.1, per la qual cosa el PLC prendrà aquesta informació com un "u", que assignarà a la sortida Q0.3 i, per tant, s'il·luminarà la bombeta H3.

Programació de sortides

Les bobines corresponents a les sortides es poden programar mitjançant dos tipus d'instruccions:

• Bobina normal

  • –(     )– La sortida està activada mentre li arriba senyal.

• Biestable

  • –( S )– La sortida s'activa només amb un impuls a la bobina S i es manté activada.
  • –( R )– La sortida es desactiva amb un impuls a la bobina R.
  • Si es dóna senyal a les bobines S i R a la vegada, predomina la que està programada en últim lloc.

Programació de flancs

Un flanc és un registre intern de l'autòmat que converteix un senyal permanent en un pols que dura 1 cicle. Hi ha dos tipus de flancs:

• Flanc positiu: dóna senyal només durant un cicle quan li arriba un 1 al flanc.
• Flanc negatiu: dóna senyal només durant un cicle quan li arriba un 0 al flanc.

Programació del modificador not

El modificador not és un registre intern que inverteix el valor que li arriba; per tant, si el resultat de la combinació de contactes programats abans del modificador not val 1, en la instrucció següent al not hi haurà un 0 i a l'inrevés.

Merkers

Un merker és un registre intern de l'autòmat programable que es posa a 1 o 0 en funció de l'expressió algebraica corresponent a la interconnexió dels contactes que l'activen. Es representen amb la lletra M i estan agrupats en bytes, és a dir, en grups de 8 bits. Així doncs, els paràmetres dels merkers són iguals que els de les entrades i sortides.

Temporitzadors

Els temporitzadors són elements semblants als relés, formats per una bobina i uns contactes que, quan els arriba senyal a la bobina, compten temps, com si fossin rellotges amb alarma, és a dir, que podeu prefixar un temps i quan aquest ha transcorregut els contactes del temporitzador canvien d'estat.

Hi ha molts tipus de temporitzadors, però bàsicament tots es basen en dos, que són:

• Temporitzadors a la connexió: fan l'operació de comptar quan arriba senyal a la bobina.

• Temporitzadors a la desconnexió: fan l'operació de comptar quan es treu el senyal a la bobina.

L'autòmat S7-200 de Siemens identifica els temporitzadors a la connexió i desconnexió amb les sigles TON i TOF, respectivament.

Hi ha autòmats en què tots els temporitzadors admeten, entre un mínim i un màxim, qualsevol temps i en diferents unitats, com per exemple: 100 ms, 3 s, 2 min i 20 s, etc., però l'autòmat S7-200 de Siemens no ho fa així; aquest autòmat agrupa diferents temporitzadors i cada grup té una base de temps fixa. En la taula teniu la base de temps que tenen assignats els diferents temporitzadors a la connexió i desconnexió.

Base de temps dels temporitzadors a la connexió i desconnexió

Base de temps	Número del temporitzador
1 ms	T32 i T96
10 ms	T33 a T36 i T97 a T100
100 ms	T37 a T63 i T101 a T255

Comptadors

Els comptadors són elements que compten els impulsos elèctrics que els arriben. Aquests impulsos poden ser senyals elèctrics, que, per exemple, els envia una fotocèl·lula que detecta el pas de persones per una zona determinada, o senyals d'un detector de proximitat, que indiquen que una ampolla ha estat dipositada en una caixa, etc.

Bàsicament existeixen dos tipus de comptadors, sense preselecció i amb preselecció.

• Comptadors sense preselecció: es dediquen a comptar el nombre de senyals que els arriben, i guarden el valor en un registre intern.

• Comptadors amb preselecció: a més de comptar els impulsos i guardar el valor en un registre, permeten preseleccionar un valor concret i, quan el comptador arriba a aquest valor, envien un senyal mitjançant els contactes oberts i tancats de què disposen.

Comptadors amb preselecció

Els comptadors amb preselecció poden realitzar el comptatge de dues maneres:

• Ascendent: correspon a un comptador progressiu.
• Descendent: correspon a un comptador regressiu.

Comptador progressiu

El comptador progressiu de l'autòmat S7-200 de Siemens s'identifica amb les sigles CTU; compta impulsos endavant i, per tant, incrementa el seu valor, quan li arriba un 1 a l'entrada CU; s'inicialitza, és a dir, es posa a zero, quan li arriba un 1 a l'entrada R (reset), i els seus contactes canvien d'estat quan el comptador ha comptat un nombre d'impulsos igual o major que el valor preseleccionat.

Comptador regressiu

El comptador regressiu de l'autòmat S7-200 de Siemens s'identifica amb les sigles CTD, compta impulsos endarrere i, per tant, incrementa negativament el seu valor quan li arriba un 1 a l'entrada CD; s'inicialitza, és a dir, es posa en el valor preseleccionat, quan li arriba un 1 a l'entrada LD (load), i en aquest moment els seus contactes estan en repòs i canvien d'estat quan el comptador, després de comptar impulsos i incrementar negativament el seu valor, arriba a zero.

Comptador progressiu-regressiu

El comptador progressiu-regresiu es coneix també com a comptador reversible, i en l'autòmat S7-200 de Siemens s'identifica amb les sigles CTUD; compta impulsos endavant quan li arriba senyal a l'entrada CU i endarrere quan li arriba senyal a l'entrada CD, s'inicialitza posant el comptador a zero quan li arriba senyal a l'entrada R, i els seus contactes canvien d'estat quan el valor del comptador és igual o superior al valor de preselecció, que pot estar entre 32.767 i –32.768.

Multivibradors

El multivibrador és un generador de pols, que quan li arriba un senyal elèctric a l'entrada produeix un senyal elèctric polsant a la sortida.

Generador d'impulsos

El generador d'impulsos és un multivibrador astable que genera un senyal elèctric d'ona quadrada. L'autòmat S7-200 de Siemens en té tres, i tots generen un senyal en el qual els temps de valor 0 i 1 són iguals, envien els senyals mitjançant uns registres interns identificats amb les sigles SM (special merker, 'marques especials') i són:

• SM0.4: Està 30 s en on (valor 1) i 30 s en off.
• SM0.5: Està 0,5 s en on i 0,5 s en off.
• SM0.6: Està 1 scan en on i 1 scan en off.

Programació estructurada

El programa de l'autòmat programable corresponent al procés d'automatització d'una instal·lació es pot fer de manera lineal o estructurada.

• Programació lineal. Tot el programa està realitzat en un únic bloc, de manera que el microprocessador del PLC, quan executa el programa, llegeix totes les instruccions programades.

• Programació estructurada. El programa està dividit en parts, de manera que el microprocessador del PLC, quan executa el programa, llegeix les parts del programa que en aquell moment han d'intervenir en el funcionament de la instal·lació.

Instruccions de salt

Les instruccions de salt permeten interrompre l'execució lineal del programa i continuar en un punt diferent. Estan sempre associades a una etiqueta, anomenada normalment meta, i es poden fer cap endavant o endarrere, però sempre dintre del mateix bloc.

Mapa conceptual

Més informació

Bibliografia bàsica

Boix, O.; Saigí, M. A.; Zabaleta, F. (1994). Automatismes elèctrics programables. Barcelona: Edicions UPC.

Llibre molt fàcil de llegir, i que tracta els conceptes bàsics del funcionament dels autòmats programables d'una manera molt clara i entenedora.

Comença estudiant els sistemes automatitzats a escala general, segueix amb una petita introducció a l'àlgebra de Boole i els sistemes de numeració i codificació imprescindibles per entendre el funcionament intern dels autòmats programables; per acabar, analitza l'autòmat programable tant a escala de maquinari com de programari.

Boix, O.; Sudrià, A.; Bergas, J. (1993). Automatització industrial amb grafcet. Barcelona: Edicions UPC.

Llibre que utilitza un llenguatge molt planer; encara que el contingut és tècnic, es poden seguir les explicacions sense necessitat de tenir molts coneixements del tema. Desenvolupa d'una manera molt entenedora com es pot representar la seqüència de funcionament de qualsevol instal·lació automatitzada mitjançant un dels sistemes gràfics, el Grafcet

Comença fent una petita introducció al Grafcet, i després analitza els elements de representació i les diferents estructures que es poden representar amb el Grafcet, que inclouen els diferents modes de funcionament d'una instal·lació mitjançant la guia GEMMA.

Bibliografia complementària

Domingo, J.; Gàmiz, J.; Grau, A.; Martínez, H. (2003). Introducción a los autómatas programables. Barcelona: Editorial UOC.

És un llibre molt adequat per ampliar coneixements de tots els aspectes tractats en aquesta unitat.

Tracta els temes de manera molt entenedora repartits en cinc capítols: "Introducció als processos d'automatització", "Elements de l'automatització", "Autòmats programables", "Mòduls especials" i "Connexions dels autòmats programables".

Adreces d'interès

http://support.automation.siemens.com

És la pàgina inicial de Siemens Automation. Heu de clicar en la pestanya Product support per seleccionar la documentació tècnica, i des d'aquí s'hi pot navegar i aconseguir de manera gratuïta molta informació tècnica i didàctica dels equips i cursos de Siemens.

http://iespalauausit.com/edcai/

És una pàgina del grup de treball Edcai, format per professors dels instituts següents: La Garrotxa, d'Olot, Palau Aussit, de Ripollet, i Comte de Rius, de Tarragona. Amb el patrocini del Departament d'Educació i l'empresa Siemens, han elaborat documentació didàctica de diferents continguts relacionats amb l'automatització, que us podeu baixar lliurement.

Annexos

Manual del sistema de automatización S7-200

En el document Manual del sistema de automatización S7-200 podeu obtenir tota la informació referent a les dades tècniques del maquinari i programari de l'autòmat programable S7-200 de Siemens. En les pàgines 80-86 teniu les dades de totes les CPU, que us poden ajudar a entendre millor els conceptes desenvolupats en l'apartat "Programa de l'autòmat programable".

Llenguatges de programació

En aquest document podeu veure un exemple d'automatització d'un procés senzill, i com seria el mateix programa en els diferents llenguatges de programació: esquema de contactes, diagrama de funcions, llista d'instruccions, Grafcet i llenguatge d'alt nivell, i us pot ajudar a entendre millor els conceptes desenvolupats en el subapartat "Llenguatges de programació" d'aquest apartat.