Instituto tecnologico de tehuacan

Controladores Lógicos Programables

Unidad I. Fundamentos de automatización.

Andrea Nava Victoria

09360783

07/09/2012

Índice.

Unidad I. fundamentos de automatización

1.1 Automatización………………………………………………………………………3

1.2 Controladores Lógicos………………………………………………………………7

1.3 La automatización en la industria………………………………………………….9

1.4 Definición de autómatas programables…………………………………………..14

1.5 Campos de aplicación……………………………………………………………...16

1.6 Ventajas y desventajas del PLC…………………………………………………...23

1.1 Automatización.

La fabricación automatizada surgió 1750, cuando surge la revolución industrial

como la relación entre las fuerzas económicas e innovaciones técnicas como la

división del trabajo, la transferencia de energía y la mecanización de las fábricas, y

el desarrollo de las máquinas de transferencia y sistemas de alimentación.

Fig. 1. Mecanización de las fábricas

En la fabricación, la división del trabajo o sea la reducción de un proceso de

fabricación, permitió incrementar la producción y reducir el nivel de especialización

de los obreros, que en la mayoría de los casos tenían que aprender todo el

proceso de fabricación del producto, así con la división de trabajo solo tendrían

que ser expertos en la línea de producción asignada. Por ejemplo: en una

maquiladora, si el obrero es asignado en la línea de trazos solo aprenderá a

hacerlos mientras que otra persona se encargará de unir esos trazos, y una más

de planchar la prenda, así tendremos a tres obreros especializados en cada área:

trazos, confección y acabado de la prenda.

La mecanización fue la siguiente etapa necesaria para la evolución hacia la

automatización, que llevo a la creación de máquinas con movimientos semejantes

a los del trabajador.

Mientras en la mecanización los operadores son asistidos con maquinaria a través

de su propia fuerza y de su intervención directa, en la automatización se reduce de

gran manera la necesidad mental y sensorial del operador. De esta forma presenta

grandes ventajas en cuanto a producción más eficiente y disminución de riesgos al

operador.

Así la automatización es el uso de sistemas de control y de tecnología informática

para reducir la necesidad de la intervención humana en un proceso. Para ello, se

desarrollaron máquinas operadas con Controles Programables (PLC).

Para la información de cada una de las etapas de diseño y control de la

producción se desarrollaron programas de computación para el dibujo (CAD), para

el diseño (CADICAE), para la manufactura (CAM), para el manejo de proyectos,

para la planeación de requerimientos, para la programación de la producción, para

el control de calidad, etc.

La inserción de tecnologías de la información producción industrial de los países

desarrollados ha conocido un ritmo de crecimiento cada vez más elevado en los

últimos años. Por ejemplo, la Información amplia enormemente la capacidad de

controlar la producción con máquinas de control computarizado y permite avanzar

hacia mayores y más complejos sistemas de automatización, unas de cuyas

expresiones más sofisticadas y más ahorradoras de trabajo humano directo son

los robots, los sistemas flexibles do producción y los sistemas de automatización

integrada de la producción (computer integrad manufacturing CIM), el manejo de

redes, pudiendo estar a miles de kilómetros de distancia se pueden controlar los

procesos de una o varias empresas.

Las principales ventajas de aplicar automatización a un proceso son:

Reemplazo de operadores humanos en tareas repetitivas o de alto riesgo.

Reemplazo de operador humano en tareas que están fuera del alcance de

sus capacidades como levantar cargas pesadas, trabajos en ambientes

extremos o tareas que necesiten manejo de una alta precisión.

Incremento de la producción. Al mantener la línea de producción

automatizada, las demoras del proceso son mínimas, no hay agotamiento o

desconcentración en las tareas repetitivas, el tiempo de ejecución se

disminuye considerablemente según el proceso.

La automatización de un nuevo producto requiere de una inversión inicial

grande en comparación con el costo unitario del producto, sin embargo

mientras la producción se mantenga constante esta inversión se

recuperara, dándole a la empresa una línea de producción con altos índice

de ingresos.

Fig. 2. La automatización protege al operador de actividades de riesgo

Contrario a lo que se cree, los sistemas de automatización generan empleos ya

que se necesita de una fuerza de trabajo calificada que pueda reparar y

administrar la maquinaria y que mantenga la producción constante. En estos

casos los costos iníciales de la automatización son difícilmente recuperados.

Gracias a la implementación de métodos numéricos en dispositivos de

automatización el resultado es una gama de aplicaciones de rápida expansión y

de enfoque especializado en la industria. La Tecnología asistida por computadora

ahora sirve de base para las herramientas matemáticas y de organización utilizada

para crear sistemas complejos. Ejemplos notables incluyen el diseño asistido por

computadora (CAD) y fabricación asistida por ordenador (CAM). La mejora en el

diseño, análisis, y la fabricación de productos basados en CAx ha sido beneficiosa

para la industria.

La tecnología informática, junto con los mecanismos y procesos industriales,

pueden ayudar en el diseño, implementación y monitoreo de sistemas de control.

Un ejemplo de un sistema de control industrial es un controlador lógico

programable (PLC). Los PLC's están especializados sincronizar el flujo de

entradas de sensores y eventos con el flujo de salidas a los actuadores y eventos.

La Interfaz hombre-máquina (HMI) o interfaces hombre computadora, se suelen

utilizar para comunicarse con los PLC's y otros equipos. El personal de servicio se

encarga del seguimiento y control del proceso a través de los HMI, en donde no

solo puede visualizar el estado actual proceso sino también hacer modificaciones

a variables críticas del proceso.

Existen diferentes tipos de herramientas para la automatización como:

ANN - Artificial neural network

DCS - Distributed Control System

HMI - Human Machine Interface

SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition

PLC - Programmable Logic Controller

PAC - Programmable automation controller

Instrumentación

Control de movimiento

Robótica

1.2 Controladores Lógicos

Por definición son microprocesadores de aplicación para el control de procesos

industriales, realiza funciones lógicas, secuenciales y combinacionales mediante

un sistema de software o por medio de las teclas incluidas en la parte frontal del

controlador.

En una primera clasificación se pueden encontrar de la siguiente manera:

Controladores lógicos con funciones lógicas definidas en el equipo.

Controladores lógicos con diagramas de contacto.

Fig. 3. (Izquierda) Aspecto físico de un controlador lógico de la marca SIEMENS con funciones lógicas:

LOGO. (Derecha) Aspecto físico de un controlador lógico OMRON ELECTRONICS de diagrama de

contactos: Zen.

En su segunda clasificación los podemos encontrar de la siguiente manera:

Controladores Logicos Sin unidad Operativa

Combinacionales

*Cableados

*Programables

Secuenciales

Con unidad Operativa

Con unidad logica

Basados en procesador

*Automatas programables(PLC´s)*Microcontroladores

*Ordenadores industriales

Los controladores lógicos son considerados con un nivel de complejidad media, y

como sistemas de control básico, pero a pesar de ello posee grandes ventajas:

Automatización económica.

Complejidad relativamente sencilla.

Disponen de salida a un relé con una gran capacidad de corte.

Protección del programa de usuario.

Las siguientes figuras muestras los distintos elementos que componen a dos tipos

de controladores lógicos:

Figura 4. Elementos básicos de un controlador lógico de funciones lógicas y uno con diagrama de

contactos respectivamente.

1.3 La automatización en la industria.

El ambiente de competencia internacional de estos tiempos requiere de la

incorporación de los elementos necesarios para hacer funcionar a la empresa

como una entidad única. Entre los factores más influyentes para la adopción de la

automatización de la industria, destacan:

Estructura competitiva.

Reestructuración.

Sistemas de producción por lotes.

Coste salarial.

Dentro de la industria, la automatización es concebida como el conjunto de

técnicas que involucran la aplicación e integración de sistemas mecánicos,

eléctricos, electrónicos y fluidos unidos con los controladores lógicos para operar y

controlar diferentes tipos de sistemas industriales de forma autómata.

El objetivo primordial de la automatización industrial se enfoca en el control.

Recibir n variables o indicadores de una máquina o proceso y llevarlos a los

valores óptimos de calidad, ahorro de recursos económicos y energéticos, reducir

el impacto ambiental, etc.

Fig. 5. Automatización industrial

Dentro de los objetivos de la automatización están el de reducir la mano de obra,

simplificar el trabajo, mayor eficiencia, mayor calidad e incremento de la

productividad.

Para entender mejor el rol de la automatización dentro de la industria vamos a

clasificarla de diferentes puntos de vista, para poder abarcar todas las áreas que

involucra. Primero se explican los niveles de la automatización tal como sigue:

Niveles de automatización:

Operación manual : Se elaboran piezas sin recurrir a máquinas, solo usando

herramientas, el ser humano es responsable de seguir el orden correcto de

las operaciones.

Mecanizado: La máquina realiza la operación, sin embargo el ser humano

opera la máquina y es responsable de seguir la secuencia de operaciones.

Automatización parcial : La máquina realiza varias operaciones en

secuencia, pero necesita de la intervención humana para poner y retirar las

piezas.

Automatización total: La máquina es totalmente autónoma. No necesita

intervención humana. El operador realiza tareas de supervisión y

mantenimiento preventivo.

Integración : Todas las máquinas están interconectadas y trabajan

cooperativamente. La intervención humana es requerida a nivel de gestión

y planeación estratégica.

Existen cinco formas de automatizar en la industria, la elección de una o varias de

estas formas deberán de analizarse para decidir cuál o cuáles son las más

adecuadas.

Los tipos de automatización son:

Control Automático de Procesos . Se refiere usualmente al manejo de

procesos que tienen diversos tipos de cambios, generalmente físicos y

químicos, por ejemplo la refinación del petróleo.

El Procesamiento Electrónico de Datos . Se refiere a la obtención,

análisis y registros de datos a través de interfaces y computadoras.

La Automatización Fija . Está asociada al empleo de sistemas lógicos

como los sistemas de relevadores y compuertas lógicas, además de

elementos como los controladores lógicos. La justificación económica

para la automatización fija se encuentra en productos con grandes

índices de demanda y volumen.

El Control Numérico Computarizado (CNC) . Es un sistema de

automatización de máquinas herramienta que son operadas mediante

comandos programados en un medio de almacenamiento, aplicado con

éxito a Máquinas de Herramientas de Control Numérico (MHCN). Entre

las MHCN podemos mencionar:

Fresadoras CNC.

Tornos CNC.

Máquinas de Electroerosionado

Máquinas de Corte por Hilo, etc.

La Automatización Flexible . consiste en procesos automáticos,

reprogramables con mucha agilidad y con cambio muy rápido de

herramientas, lo que permiten procesar en las mismas máquinas

diversos productos en tandas de bajo volumen, logrando combinar así

los efectos de la economía de escala, la economía de alcance y la

flexibilidad de producción.

Las empresas tienen una producción flexible cuando tienen la habilidad de

cambiar la manufactura de un producto A por una manufactura diferente para un

producto B sin tener que reconstruir completamente la línea de producción.

También una línea de producción es flexible cuando se pueden cambiar

parámetros bases como la producción por día o adición o remoción de procesos

dentro de la línea sin afectar la calidad del producto Esta capacidad de cambios de

células de producción es fácilmente implementada con un buen diseño previo en

la automatización de la línea de producción.

El concepto de La Pirámide de Automatización Industrial plantea la interrelación

explícita entre la operación y control Industrial con la producción. El esquema de

actividades por niveles permite estandarizar procedimientos y soluciones a

problemas, además de proveer una visión de la arquitectura de automatización. En

este modelo la granularidad de la información crece a medida que se va bajando

en los niveles, y la toma de decisiones es jerárquica.

Esta relación expresa que la información que alimenta las bases de datos del

Sistema de ejecución de manufactura (MES) provienen de las bases de datos de

las variables (en tiempo real) del proceso o máquina que fueron corregidas por las

estrategias de control. Esto produce que la información suministrada por el MES al

sistema de planeación de recursos empresariales (ERP) esté totalmente validada

sobre datos reales y físicos de la planta industrial.

Fig. 6. Pirámide de automatización.

El nivel de entradas y salidas (Nivel I), se encuentran los sensores, actuadores,

hardware, aquellas herramientas físicas que nos sirven como variables para

monitorear los procesos.

En el nivel de campo y proceso (Nivel II), se encuentran los PLC, PC, PID, bloques

de entradas y salidas, controladores, transmisores, etc.

Lo siguiente es el nivel de control (Nivel III), es el nivel de operación y supervisión

se realiza el monitoreo de las diferentes unidades de producción, y se verifica la

sincronización de los procesos interdependientes.

Planificación o Sistema de ejecución de manufactura (MES) (Nivel IV), se realiza

la planificación acorde con las estrategias fijadas, así como la gestión de la

producción.

El nivel más alto (Nivel V) es el sistema de planeación de recursos empresariales

(ERP) y donde se fijan las estrategias y metas a cumplir con los datos reales y

físicos de la planta industrial.

1.4 Definición de autómatas programables.

El Autómata Programable Industrial (API) o Controlador Lógico Programable

(PLC) surgió como solución al control de circuitos complejos de automatización,

ya que antes de ello el control de procesos industriales se hacía de forma

cableada por medio de contactores y relés. Al operario que se encontraba a cargo

de este tipo de instalaciones, debía tener altos conocimientos técnicos para poder

realizarlas y posteriormente mantenerlas.

Por lo tanto se puede decir que un Autómata Programable no es más que un

aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los

sistemas automáticos. A él se conectan los receptores por una parte, y los

actuadores por otra.

Sus partes fundamentales son la unidad central de proceso (CPU), la memoria y el

sistema de entradas y salidas (E/S).

Fig. 7. Estructura interna de un PLC

La CPU realiza el control interno y externo del autómata y la interpretación de las

instrucciones del programa. A partir de las instrucciones almacenadas en la

memoria y de los datos que recibe de las entradas, genera las señales de las

salidas. La memoria se divide en dos bloques, la memoria de solo lectura o ROM

(Read Only Memory) y la memoria de lectura y escritura o RAM (Random Access

Memory).

En la memoria ROM se almacenan programas para el correcto funcionamiento del

sistema, como el programa de comprobación de la puesta en marcha y el

programa de exploración de la memoria RAM.

El sistema de entradas y salidas recoge la información del proceso controlado y

envía las acciones de control del mismo. Los dispositivos de entrada pueden ser

pulsadores, interruptores, finales de carrera, termostatos, presostatos, detectores

de nivel, detectores de proximidad, contactos auxiliares, etc. Por su parte, los

dispositivos de salida son también muy variados: Pilotos indicadores, relés,

contactores, arrancadores de motores, válvulas, etc.

En la figura 8 se muestra el funcionamiento de un PLC por medio de una

secuencia o ciclo que comienza leyendo y fijando el valor de las entradas, a

continuación comienza a ejecutar cada una de las instrucciones del programa; con

los resultados genera una “imagen” de lo que va a ser la salida. Una vez que llega

al final del programa transfiere esa “imagen” a la salida. Cumplida esta tarea,

realiza una nueva prueba interna y vuelve a cargar las entradas verificando

cualquier variación en ellas y se repite todo el proceso. El tiempo del ciclo

depende del tamaño del programa haciéndolo en el orden de los milisegundos.

Fig. 8. Ciclo de un PLC.

1.5 Campos de aplicación.

Los PLC´s poseen un amplísimo campo de aplicación donde se requiera un

proceso de control automático, en procesos de fabricación industriales de

cualquier tipo.

Con la constante evolución del hardware y software amplía constantemente este

campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan dentro de sus

posibilidades reales.

Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es

necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su

aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a

transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.

Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de

almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o

alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente

en procesos en que se producen necesidades tales como:

Espacio reducido.

Procesos de producción periódicamente cambiantes.

Maquinaria de procesos variables.

Instalación de procesos complejos y amplios.

Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.

Su uso se da en:

Maniobra de máquinas.

Maquinaria industrial de plástico.

Máquinas transfer.

Maquinaria de embalajes.

Maniobra de instalaciones:

Instalación de aire acondicionado, calefacción.

Instalaciones de seguridad.

Señalización y control:

Chequeo de programas.

Señalización del estado de procesos.

Fig. 9. Automatización por PLC.

Ejemplos de Aplicaciones de un PLC:

Maniobras de Máquinas:

Maquinaria industrial del mueble y la madera.

Maquinaria en proceso de grava, arena y cemento.

Maquinaria en la industria del plástico.

Maquinas-herramientas complejas.

Maquinaria de ensamblaje.

Maquinas de transferencia.

Fig. 10. Torno de control numérico.

Maniobra de Instalaciones

Instalaciones de aire acondicionado y calefacción.

Instalaciones de seguridad.

Instalaciones de almacenamiento y transporte.

Instalaciones de plantas embotelladoras.

Instalaciones en la industria automotriz

Instalación de tratamientos térmicos.

Instalaciones de la industria azucarera.

Automóvil

Cadenas de montaje, soldadura, cabinas de pintura, etc.

Máquinas herramientas: Tornos, fresadoras, taladradoras, etc.

Fig. 11. Soldadura automatizada.

Plantas químicas y petroquímicas

Control de procesos (dosificación, mezcla, pesaje, etc.).

Baños electrolíticos, oleoductos, refinado, tratamiento de aguas residuales,

etc.

Fig. 12. Control de un proceso de mezclas.

Metalurgia

Control de hornos, laminado, fundición, soldadura, forja, grúas

Alimentación

Envasado, empaquetado, embotellado, almacenaje, llenado de botellas,

etc.

Fig. 13. Llenado de botellas automatizado.

Papeleras y madereras

Control de procesos, serradoras, producción de conglomerados y de

laminados, etc.

Producción de energía

Centrales eléctricas, turbinas, transporte de combustible, energía solar, etc.

Tráfico

Regulación y control del tráfico, ferrocarriles, etc.

Fig. 14. Control del tráfico.

Domótica

Iluminación, temperatura ambiente, sistemas anti robo, etc.

Fabricación de Neumáticos

Control de calderas, sistemas de refrigeración, prensas que vulcanizan los

neumáticos.

Control de las máquinas para el armado de las cubiertas, extrusoras de

goma.

Control de las máquinas para mezclar goma.

Los PLC están diseñados modularmente y por lo tanto con posibilidades de poder

expandirse para satisfacer las necesidades de la industria. Es importante que a la

aplicación de un PLC se pueda considerar los beneficios de las futuras

expansiones.

Gracias al PLC, en breve, se podrá automatizar una vivienda solucionando unos

de los problemas de la domótica: la instalación de las conexiones y cableados.

Aparatos de aire acondicionado, refrigeradores, sistemas de calefacción,

iluminación, centrales de alarma y robo o de incendio, etc., podrán ser controlados

e interconectados a la red doméstica a través del PLC.

Empresas como 3Com, Intel, Motorola, Ericsson, LG, Electrolux, Sunbeam o

General Electric ya están desarrollando productos domésticos de la nueva línea.

Surgirán aplicaciones nuevas como el telediagnóstico de averías en los

electrodomésticos, la gestión inteligente de energía, entre otras.

Fig. 15. Refrigerador LG de la línea “home network”

1.6 Ventajas y desventajas de los PLC´s.

Se puede hablar de las siguientes ventajas del uso de los PLC frente a lógica

cableada antigua:

Menor tiempo empleado en la elaboración del proyecto.

Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado

ni añadir elementos.

Reducido espacio de ocupación.

Menor costo de mano de obra de instalación.

Menor tiempo para la puesta en funcionamiento, al quedar

reducido el de cableado.

Posibilidad de controlar varias máquinas con el mismo autómata.

Economía de mantenimiento.

Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el PLC

sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.

Control más preciso.

Seguridad en el proceso.

Mejor monitoreo del funcionamiento.

Detección rápida de averías.

Como es una tecnología que sigue evolucionando seguramente este listado se

incrementará día a día.

Como desventajas encontramos un listado menos extenso que se tiene sobre las

ventajas.

Mano de obra especializada.

Centralización del proceso.

Condiciones ambientales apropiadas.

Solo funciona con el sistema operativo Windows.

Producción de equipos todavía limitada

Escasa competencia tecnológica