Autómata programable

En electrònica un autómata (o controlador llògic programable) és un sistema seqüencial, encara que en ocasions la paraula és utilisada també per a referir-se a un robot. Pot definir-se com un equip electrònic programable en llenguage no informàtic i dissenyat per a controlar, en temps real i en ambient industrial, processos seqüencials. No obstant, la ràpida evolució dels autómates fa que esta definició no estiga tancada.

Introducció

En la disciplina pertanyent a l'informàtica, es descriuen tres tipos d'autómates que reconeixen tipos diferents de llenguages: els autómates finitos, els autómates a pila i les màquines de Turing.

L'autómata és la primera màquina en llenguage, és dir, un calculador llògic el joc del qual d'instruccions s'orienta cap als sistemes d'evolució seqüencial.

L'aparició dels ordenadors a mitan dels 50's va inaugurar el camp de la llògica programada per al control de processos industrials. No obstant, encara que estos ordenadors resolien els inconvenients d'un Sistema cablejat o la cridada llògica cablejada, presentaven nous problemes:

• Mala adaptació a l'entorn industrial.
• Cost elevat dels equips.
• Necessitat de personal informàtic per a la realisació dels programes.
• Necessitat de personal especialisat per al manteniment.

Estos problemes se solucionarien en l'aparició de l'autómata programable o PLC (Controlador Llògic Programable; en anglés Programable Logic Controler).

Desenroll històric

A mitan dels anys 60, General Motors, preocupada pels elevats costs dels sistemes de control a pur de relés, de llògica cablejada, va començar a treballar en Digital en el desenroll d'un sistema de control que evitara els inconvenients de la llògica programada. El resultat de la colaboració va ser un equip programat, denominat PDP-14, l'ocupació del qual no va tardar en estendre's a atres indústries. En un principi, els autómates programables solament treballaven en control discreta ( Si o No ), per lo que els problemes que requerien la manipulació de magnituts analògiques es varen deixar per als tradicionals sistemes de control distribuït.

Resulta curiós anotar que R. E. Moreley, considerat per molts el pare de l'autómata programable, treballant independentment de les especificacions de la General Motors va desenrollar un equip que responia a les necessitats de dita multinacional.

Cap a la primera mitat dels anys 70 els autómates programables incorporen la tecnologia dels microcontroladors, aumentant d'esta manera les seues prestacions:

• Realisació d'operacions aritmètiques.
• Comunicació en els ordenadors.
• Increment de la capacitat de memòria.
• Millores en els llenguages de programació.
• Possibilitat d'entrades i eixides analògiques.
• Possibilitat d'utilisar rets de comunicacions.

La década dels anys 80 es caracterisa per l'incorporació dels microprocessadorés, conseguint:

• Alta velocitat de resposta.
• Reducció de les dimensions.
• Major seguritat de funcionament.
• Gran capacitat d'almagasenament de senyes.
• Llenguages de programació més potents: contactes, blocs funcionals, GRAFCET (GRAFica de Control d'Etapa de Transició).

En l'actualitat existixen autómates que permeten automatisar a tots els nivells, des de menuts sistemes per mig d'autómates compactes, fins a sistemes sumament complexos per mig de l'utilisació de grans rets d'autómates.

Aplicacions

Com ya s'ha comentat, les primeres aplicacions dels autómates programables es varen donar en l'indústria automotriz per a substituir els complexos equips basats en relés. No obstant, la disminució de tamany i el menor cost han permés que els autómates siguen utilisats en tots els sectors de l'indústria. Solament a modo d'eixemple, es mencionen a continuació alguns dels múltiples camps d'aplicació.

Automòvil

• Cadenes de montage, soldadura, cabines de pintura, etc.
• Màquines ferramentes: Tornos, fresadoras, taladradora, etc.

Plantes químiques i petroquímiques

• Control de processos (dosificació, mescla, pesaje, etc).

• Banys electrolítics, oleoductes, refinat, tractament d'aigües residuals, etc.

Metalúrgia

• Control de forns, laminado, fundició, soldadura, forja, grues, entre uns atres.

Alimentació

• Envasament, empaquetat, embotellat, almagasenage, omplit de botelles, etc.

Papereres i madereras

• Control de processos, serradoras, producció de conglomerats i de laminados, etc.

Producció d'energia

• Centrals elèctriques, turbines, transport de combustible, energia solar, etc.

Tràfic

• Regulació i control del tràfic, ferrocarrils, llínees de metro, etc .

Domòtica

• Allumenament, temperatura ambiente, sistemes antirrobo, comoditat i benestar en la llar, etc.

Fabricació de Neumàtics

• Control de calderes, sistemes de refrigeració, prenses que vulcanizan els neumàtics.
• Control de les màquines per a l'armat de les cobertes, extrusores de goma.
• Control de les màquines per a mesclar goma.

L'autómata programable

Estructura general

Un autómata programable es pot considerar com un sistema basat en un microprocessador, sent les seues parts fonamentals l'Unitat Central de Procés (CPU), la Memòria i el Sistema d'Entrades i Eixides (I/S).

La CPU realisa el control intern i extern de l'autómata i l'interpretació de les instruccions del programa. A partir de les instruccions almagasenades en la memòria i de les senyes que rep de les entrades, genera les senyals de les eixides. La memòria es dividix en dos blocs, la memòria de solament llectura o ROM (Read Only Memory) i la memòria de llectura i escritura o RAM (Random Access Memory).

En la memòria ROM s'almagasenen programes per al correcte funcionament del sistema, com el programa de comprovació de la posada en marcha i el programa d'exploració de la memòria RAM.

La memòria RAM a la seua volta pot dividir-se en dos àrees:

• Memòria de senyes, en la que s'almagasena l'informació dels estats de les entrades i eixides i de variables internes.
• Memòria d'usuari, en la que s'almagasena el programa en el que treballarà l'autómata.

El sistema d'Entrades i Eixides arreplega l'informació del procés controlat (Entrades) i envia les accions de control del mateix (eixides). Els dispositius d'entrada poden ser pulsadorés, interruptorés, finals de carrera, termostats, presostatos, detectors de nivell, detectors de proximitat, contactes auxiliars, etc.

Per la seua banda, els dispositius d'eixida són també molt variats: Pilots indicadors, relés, contactorés, arrancadores de motors, vàlvules, etc. En el següent punt es tracta en més detall este sistema per al funcionament correcte de el PLC.

Sistema d'entrades i eixides

En general, les entrades i eixides (I/S) d'un autómata poden ser discretes, analògiques, numèriques o especials.

Les I/S discretes es caracterisen per presentar dos estats diferenciats: presència o absència de tensió, relé obert o tancat, etc. El seu estat es pot visualisar per mig d'indicadors tipo LED que s'allumenen quan hi ha senyal en l'entrada o quan s'activa l'eixida. Els nivells de tensió de les entrades més comunes són 5 V cc, 24 V cc/ca, 48 V cc/ca i 220 V ca.

Els dispositius d'eixida més freqüents són relés, transistorés i triacs.

Les I/S analògiques tenen com a funció la conversió d'una magnitut analògica (tensió o corrent) equivalent a una magnitut física (temperatura, pressió, grau d'acidea, etc.) en una expressió binaria d'11, 12 o més bits, depenent de la precisió desijada. Açò es realisa per mig de conversores analògic-digitals (ADC's).

Les I/S numèriques permeten l'adquisició o generació d'informació a nivell numèric, en còdics BCD, Gray o uns atres (vore còdic binario). L'informació numèrica pot ser entrada per mig de dispositius electrònics digitals apropiats. Per la seua banda, les eixides numèriques suministren informació per a ser utilisada en dispositius visualisadors (de 7 segments) o atres equips digitals.

Per últim, les I/S especials s'utilisen en processos en els que en les anteriors I/S vistes són poc efectives, be perque és necessari un gran número d'elements adicionals, be perque el programa necessita de moltes instruccions. Entre les més importants estan:

• Entrades per a termoparell i termorresistencia: Per al control de temperatures.
• Eixides de trens d'impuls: Per al control de motors pas a pas (PAP).
• Entrades i eixides de regulació P+I+D (Proporcional + Integral + Derivativo): Per a processos de regulació d'alta precisió.
• Eixides ASCII: Per a la comunicació en perifèrics inteligents (equip de programació, impressora, PC, etc.).

Cicle de funcionament

Quan es posa en marcha el PLC es realisen una série de comprovacions:

• Funcionament de les memòries.
• Comunicacions internes i externes.
• Elements d'I/S.
• Tensions correctes de la font d'alimentació.

Una volta efectuades estes comprovacions i si les mateixes resulten ser correctes, la CPU... inicia l'exploració del programa i reinicializa. Açò últim si l'autómata es troba en modo RUN (marcha), ya que d'estar en modo STOP (desocupació) aguardaria, sense explorar el programa, fins a la posada en RUN.

En produir-se el pas al modo STOP o si s'interromp la tensió d'alimentació durant un temps lo suficientment llarc, la CPU realisa les següents accions:

• Deté l'exploració del programa.
• Posa a zero, és dir, desactiva totes les eixides.

Mentres s'està eixecutant el programa, la CPU realisa en successius intervals de temps distintes funcions de diagnòstic (watch-dog en anglés). Qualsevol anomalia que es detecte es reflectirà en els indicadors de diagnòstic del processador i depenent de la seua importància es generarà un còdic d'error o es pararà totalment el sistema.

El temps total del cicle d'eixecució ve determinat pels temps amprats en les distintes operacions. El temps d'exploració del programa és variable en funció de la cantitat i tipo de les instruccions aixina com de l'eixecució de subrutina. El temps d'exploració és un dels paràmetros que caracterisa a un PLC i generalment se sol expressar en milisegons per cada mil instruccions. Per a reduir els temps d'eixecució, algunes CPU's consten de dos o més processadors que operen simultàneament i estan dedicats a funcions específiques. També es pot descarregar de tasques a la CPU incorporant mòduls inteligents dedicats a tasques específiques.

Equips de programació

La missió principal dels equips de programació, és la de servir d'interfaç entre l'operador i l'autómata per a introduir en la memòria d'usuari el programa en les instruccions que definixen les seqüències de control.

Depenent del tipo d'autómata, l'equip de programació produïx uns còdics d'instrucció directament eixecutables pel processador o be un còdic intermig, que és interpretat per un programa resident en el processador (firmware).

Les tasques principals d'un equip de programació són:

• Introducció de les instruccions del programa.
• Edició i modificació del programa.
• Detecció d'errors.
• Archiu de programes (cintes, discs).

Bàsicament existixen tres tipos d'equips de programació:

• Consola en teclat i pantalla de tubo de rajos catódicos (CRT) o de cristal líquit (LCD).
• Programador manual, semblant a una calculadora de bojaca, més econòmic que l'anterior.
• Ordenador personal en el software apropiat.

La conexió de la consola o ordenador a l'autómata programable es realisa per mig d'una conexió en série (generalment la RS-232C o la RS-422).

Equips perifèrics

Ademés dels equips de programació, existixen numerosos dispositius que sense formar part directa de l'autómata, poden conectar-se al mateix per a realisar distintes funcions. Normalment es conecten a les eixides ASCII o als canals de comunicació de l'autómata.

Seguidament es descriuen alguns dels equips perifèrics més comuns:

• Mòduls d'ampliació d'entrades i eixides: Necessaris per a aquells processos en els que l'estructura d'I/S de l'autómata siga insuficient.
• Mòduls de tractament de senyes: Són menuts ordenadors que manegen distintes senyes (contaje, temps, estat d'I/S, etc.), per a l'elaboració d'informes, gràfics, etc.
• Impressoras.
• Visualisadorés alfanumèrics.
• Llectors de còdic de barres.

La forma de comunicar-se l'autómata en els seus perifèrics pot ser unidireccional, quan s'establix en un sol sentit, o ben bidireccional, quan s'establix en els dos sentits. Els enllaços per a abdós tipos de comunicació solen ser per lo general del tipo serie, sent els més amprats els anteriorment mencionats RS-232C i RS-422, abdós d'acort en les normes de la EIA (Electronic Industries Association).

El RS-232C és el método de transmissió de senyes més difòs, pero té la llimitació de la distància màxima de transmissió a 15 metros i la velocitat màxima de transmissió de 19.200 bauts (1 baut = 1 bit/segon). El RS-422 resol en part les llimitacions de el RS-232C. La distància de transmissió pot superar un quilómetro i la velocitat pot aplegar a 10 Mbaudios.

Vore també

• Teoria dels llenguages formals
• Autómata finito