Automatización y control
Introducción
Introducción
La automatización industrial es una disciplina de la ingeniería encargada de controlar máquinas o procesos industriales de forma óptima, mejorando la calidad del producto y su productividad. Los sistemas de automatización pueden ser divididos en distintos niveles, conformando la pirámide de la automatización. Estos niveles son: Nivel de campo:
Es el nivel inferior donde podemos encontrar actuadores lineales o rotativos, válvula de proceso, sensores, motores eléctricos, etc. Nivel de control:
En este nivel están los distintos dispositivos de control y monitoreo, tales como PLC, HMI, variadores de frecuencia, servo drive, etc. Este nivel se encarga de monitorear y controlar todos los dispositivos del campo. Variadores de frecuencia
Nivele de supervisión:
Es el encargado de controlar la interacción entre los distintos dispositivos ubicados en el nivel de control. contro l. De esta forma, se puede controlar y monitorear diferentes procesos al mismo tiempo. Incluye PLC’s maestros y sistemas SCADA. Nivel de gestión:
Este es el nivel más alto y es el que se encarga de contro lar toda la planta. En este nivel también se puede vincular nuestra planta con sistemas de control y monitoreo externos. Contiene PC’s industriales. Los niveles de la pirámide de automatización se vinculan entre sí por medio de distintos lenguajes de comunicación, conocidos como “protocolos de comunicación”. Entre los distintos niveles de la pirámide hallamos distintos protocolos acordes a las necesidades (cantidad de datos a enviar y la velocidad con la que se envían estos datos). Los protocolos más utilizados en la industria son: Probus
DP, Devicenet, Modbus, Can Open, AS-i, Ethernet/IP, Modbus TCP/IP. Con esta organización estructural se pueden controlar y monitorear desde pequeños automatismo hasta procesos de grandes envergaduras, consiguiendo reducir los tiempos de mantenimiento y optimizar los niveles de productividad. Con más de cinco décadas de investigación y desarrollo apli cadas a la automatización y control de procesos industriales, MICRO cuenta con una vasta experiencia en brindar soluciones integrales para mejorar la eciencia de los procesos productivos de todo todo tipo de industria. industria. MICRO propone una oferta c ompleta de componentes neumáticos, equipamientos para manipulación de carga, cursos de capacitación profesional, soporte técnico, elaboración de proyectos; proyectos; sistemas, soluciones a medida y una línea amplia de electrónica industrial, la cual se c onstituye de: > Variadores de frecuencia > Servomotores y Drive > PLC (controladores lógicos programables) > Módulos de comunicaron remota > HMI (Interfaz hombre máquina) > Fuentes de alimentación > Sensores
El variador de frecuencia es una herramienta en la automatización industrial usada para controlar la velocidad de un motor de corriente alterna trifásica. Antiguamente, para poder tener un motor de velocida d variable era necesario recurrir recurr ir al uso de motores de corriente continua con un sistema de control asociado. Estos tipos de motores requerían niveles altos de mantenimiento y costos elevados. El motor de corriente alterna (por más que era un motor muy robusto, con muy bajos niveles de mantenimiento; compacto y de bajo costo) no podía reemplazar, en su totalidad, al motor de corriente continua. Asimismo, el motor de corriente alterna era muy rígido respecto a la velocidad, la cual solo podía variar por medio de la variación de frecuencia o a través de la modicación de sus bobinados. El bobinado era predenido al momento de fabricar el motor, y la fre -
cuencia era la que proveía la compañía suministradora del servicio eléctrico. Gracias a las nuevas tecnologías de los variadores de frecuencia, se puede modicar la velocidad de los motores
de corriente alterna muy fácilmente. Los VFD (drive de frecuencia variable) trabajan modicando la tensión y la
frecuencia entregada al motor. De este modo, permiten controlar, de manera simple, la velocidad y el torque del motor de corriente alterna. Principio de funcionamiento
Se ingresa una tensión alterna que puede ser monofásic a o trifásica, dependiendo del modelo de variador de frecuencia a utilizar. Esta tensión atraviesa un puente recticador, don de se convertirá en corriente continua. Una vez recticada,
se modula nuevamente por medio de PWM (Modulación por ancho de pulso) para obtener una tensión similar a la alterna de frecuencia variable. Así, a través de un sistema de control, se logra examinar el nivel de tensión y de frecuencia en la salida del variador de frecuencia.
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Servomotores y drives
Las primeras preguntas al momento de hablar de servomotores son: 1. ¿Qué es un servomotor? 2. ¿Dónde y cuándo aplicarlo? Junto a la posibilidad de controlar la tensión y la frecuencia del motor, los variadores de frecuencia poseen un conjunto de herramientas para registrar el movimiento del motor como ser aceleraciones, desaceleraciones, múltiples velocidades, salidas programables, auto-tuning del motor, control PID, etc.
Se los puede denir de distintas maneras, pero no es más
que un motor realimentado que por cuestiones constructivas se logra obtener un torque constante a través de todo su rango de velocidad. Por lo general, los servomotores son motores sincrónicos de imán permanente, de esta forma, no se pierde tiempo en la magnetización del rotor, proporcionando una respuesta más rápida y ecaz.
Modos de control V/F (tensión frecuencia): Varía la frecuencia y la tensión
en forma lineal manteniendo una relación entre ambas. Vectorial lazo abier to (sensorless): Método utilizado para controlar el ujo del motor de una manera más precisa,
permitiendo tener un mejor control del torque del motor a lazo abierto. Control vectorial a lazo cerrado (FOC Control orientado al campo): Método usado para controlar el ujo del motor
de forma mucho más precisa, ayudado por su sistema de realimentación (encoder o resolver), y así posibilita tener un excelente control de torque y posición del motor, incluso en las frecuencias más críticas.
Los servomotores son usados en aplicaciones donde tenemos rangos de variaciones de velocidades muy amplios o en aplicaciones donde necesitamos aceleraciones y desaceleraciones demasiado bruscas. Por su sistema de realimentación, los servomotores permiten obtener un valor exacto de la posición en donde se encuentra su eje. Por esta razón, es muy importante la precisión del sistema de realimentación. El que realiza el control del servomotor es el servo drive. Éste es el encargado de controlar la velocidad, aceleración, desaceleración, posición o el torque del servomotor. Existen distintos tipos de servo drive, dependiendo de la aplicación a realizar y de los dispositivos que tengamos en nuestro automatismo. Servo drive línea B2 se usa para aplicaciones donde se
Comunicación
Los variadores de frecuencia MICRO, por ser Drive de última tecnología, cuentan con comunicación Modbus incorporada, y gracias a sus sistemas modulares también se pueden disponer de otros protocolos de comunicación como ser: Probus DP, Devicenet, Canbus, Ethernet/IP,
requiere precisión y una buena respuesta. Este servo drive puede controlar la velocidad o el torque a través de una referencia analógica o mediante sus entradas digitales. Además, consigue realizar posicio namientos por medio de algún sistema maestro que pueda brindar un tren de pulso como un PLC, Encoder u otro servo drive.
Modbus TCP/IP, Lonwork. Servo drive línea A2 es un servo drive de altas prestacioControl avanzado
Las líneas MICRO de variadores de frecuencia VDF-E y DVF C2000 poseen PLC incorporado, lo que facilita acoplar los variadores de frecuencia a muchos procesos, sin necesidad de dispositivos maestros.
nes para aplicaciones donde se requiere precisión y una buena respuesta. No solo puede contr olar la velocidad o el torque por medio de una referencia analógica o mediante sus entradas digitales, sino que tiene funciones incorporadas de posicionamiento interno, de este modo, podemos controlar posiciones sin necesi dad de otro dispositivo externo. También cuenta con la función E-Cam (leva electrónica): una herramienta excelente que nos permite el reemplazo de distintos sistemas mecánicos donde se utilizan levas mecánicas, teniendo la necesidad de renovar esta leva cada vez que se precisa cambiar el producto o el proceso. La función E-Cam es muy útil para máquinas donde se necesita acompañar a un producto a la misma velocidad para poder realizar una acción. Esto es bastante común en máquinas cortadoras de papel, cartón, chapa, madera; máquinas de encolado, máquinas llenadoras de botellas. Software:
ASDA Soft es un soft de ingeniería muy completo. Consigue la parametrización y monitoreo de los servo drive ASDA A2 y ASDA B2. 10.0.0.1
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Se puede tener el control y monitoreo de entra das y salidas digitales o analógicas. Asimismo, podemos monitorear distintos parámetro como ser torque, velocidad, posición, señales de realimentación a través de un osciloscopio de cuatro canales incorporado. Encontraremos diferentes asistentes para el armado de
Controladores lógicos Programables (PLC)
ciclos de posicionamiento o armado de los per les de levas, con interfaz gráca, intuitiva y amigable.
implementación de funciones especícas, a saber: lógicas,
Otra de las herramientas que incorpora el ASDA Soft es el Soft Msizing tool: un soft de ingeniería que admite estimar las dimensiones del servo más adecuado para nuestra aplicación sin la necesidad de estar realizando cálculos largos y complejos. El ASDA Soft se puede descargar desde www.microautomacion.com
Conceptos básicos
Un Controlador Lógico Programable, también llamado PLC, es un aparato digital electrónico con una memoria programa ble para el almacenamiento de instrucciones, permitiendo la secuencias, temporizados, conteos y aritméticas; con el objeto de controlar máquinas y procesos. Los PLC son utilizados donde se requiera tanto de controles lógicos como secuenciales, o ambos a la vez. Su aplicación es generalizada en diferentes procesos industriales: tratamiento de aguas, calefacción, climatización, control de acceso, puertas automáticas, distribuidores automáticos, máquina de lavado de vehículos, máquina de acondicionamiento, embalaje e imprenta, equipos médicos, manipuladores, accionamiento de bombas, construcción mecánica, mantenimiento, maquinaria textil, etc. Estructura de un PLC La estructura básica de un PLC se puede ejemplicar con la siguiente gura:
E N T R A D A
CPU
PROCESADOR + MEMORIA
S A L I D A S
S
CPU:
La CPU es el cerebro del PLC, es responsable de la ejecución del programa desarrollado por el usuario. Está formado por dos partes fundamentales: el o los procesadores y las memorias. También puede contener otros elementos como puertos de comunicaciones, circuitos de diagnóstico, fuentes de alimentación, etc. Procesador:
Tiene como labor principal la de ejecutar el programa realizado por el usuario, pero además tiene otras tareas: la de administrar la comunicación y ejecutar los programas de autodiagnósticos. Para poder realizar todas estas tareas, el procesador necesita un programa escrito por el fabricante, llamado sistema operativo. Este programa no es accesible por el usuario, y se encuentra grabado en la memoria no volátil que forma parte de la CPU. Todas las tareas que realiza el procesador son ejecutadas en forma secuencial y cíclica mientras esté alimentado con tensión. A cada ciclo se lo denomina Barrido o Scan. Una típica secuencia de barrido se detalla a continuación: a) Autodiagnóstico b) Lectura del registro de entradas c) Lectura y ejecución del programa d) Atender las comunicaciones e) Actualización del registro de salidas 10.0.0.2
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El tiempo que demanda al PLC completar un ciclo se denomina “tiempo de barrido” o “Scan Time”. En general, los fabricantes brindan el tiempo de barrido para ejecutar 1024 (1K) instrucciones de lógica booleana. Sin embargo, al no estar normalizados el tipo de instrucciones a utilizar en el ensayo, el dato no alcanza para c omparar los distintos PLC. Puede darse el caso que un PLC ejecute un cierto tipo de instrucciones más rápido que otro o viceversa. Para determinar en forma certera el tiempo de barrido se requiere la determinación del tiempo que le insume al procesador la ejecución de cada una de las instrucciones utilizadas, así como el tiempo consumido por las demás funciones que ejecuta la CPU. Por otro lado, es incorrecto asociar en forma directa el tiempo de barrido con una rápida ejecución. Si se considera el ejemplo de una válvula (on-off ), se puede ver que existen otros tiempos que están relacionados con la apertura de la misma. -Debe cerrarse el contacto de la llave. -La tarjeta de entrada debe leer que el contacto está cerrado (tiempo de respuesta de entrada). -La CPU debe leer la tarjeta de entrada, resolver el programa de aplicación y escribir el resultado en la tarjeta de salida. El tiempo total para estas tareas es el tiempo de barrido. -La tarjeta de salida debe cerrar el circuito de conexión (tiempo de respuesta de la salida). -La válvula debe abrirse. Al tiempo completo se lo denomina “tiempo total de repuesta” o “throughput”. Memoria:
El sistema operativo, el programa de aplicación, las tablas de entradas y salidas, los registros internos, están asociados a distintos tipos de memoria. La capacidad de almacenamiento de una memoria suele cuanticarse en bits, bytes o words.
El sistema operativo viene grabado por el fabricante, y como debe permanecer inalterado y el usuario no debe tener acce so a él, se guarda en una memoria como las ROM, EPROM o EEPROM, que son memorias cuyo contenido permanece inalterable en ausencia de alimentación. El programa construido por el usuario debe permanecer estable durante el funcionamiento del equipo, y además debe ser fácil de leer, escribir o borrar. Por eso, es que se usa para su almacenamiento memorias tipo RAM o EEPROM. En el caso de usar memorias tipo RAM, será necesario también el uso de pilas, puesto que este tipo de memoria se borra con la ausencia de alimentación. La memoria de datos se utiliza tanto para grabar datos necesarios a los nes de la ejecución del programa como
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de igual tipo, las interfaces de entrada o salida cumplen un rol fundamental. A continuación, se expone una clasicación
de las entradas y salidas: a)Discretas: también llamadas binarias, lógicas, digitales u on-off. Son las que pueden tomar solamente dos estados. b)Analógicas: pueden tomar una cantidad de valores intermedios dentro de un rango. Por ejemplo, de 4 a 20 mA, 0 a 5Vcc o 0 a 10 Vcc. c)Especiales: son variantes de las analógicas como ser las entradas de pulsos de alta velocidad, termocuplas, RTD, etc. Cabe mencionar que el acoplamiento utilizado es casi siempre optoelectrónico, obteniéndose así una aislación eléctrica y magnética entre las entradas y la CPU. Quizás el gran salto que han dado los PLC esté representado en los módulos de entradas y salidas remotas, permitiendo vincular señales de distintos tipos (digitales o analógicas) desde diferentas partes de la planta, sin necesidad de estar conectando otro PLC ni amplicadores costosos y altamente permeables a ruidos eléctricos, enviando estas señales a través de los buses de c ampos más utilizados (Probus, DeviceNet, Ethernet, Modbus TCP/IP).
DVP es una familia de controladores lógicos programable modular, con montaje sobre riel Din de 35 mm. Tiene un tamaño sumamente compacto pero con toda la potencia de un gran controlador. Posee una destacada exibilidad, debido a sus distintos
lenguajes de programación: Ladder (LD), Lista de instrucciones (IL), Grafcet (SFC) y la gran cantidad de herramientas disponibles para distintas aplicaciones: control PID, control de desplazamiento y rotación, funciones para el control de servomotores, PWM, reloj de tiempo real, etc. El sistema modular de la familia DVP posibilita adecuarse a cada necesidad, ya que permite armar el PLC con el tamaño más adecuado a la necesidad del proc eso a controlar. La expansiones disponibles pueden ser digitales, analógicas, de temperatura (termocupla, PTC), entradas y salidas rápidas para el control de servomotores, etc. Al mismo tiempo, todos estos módulos de expansión se pueden vincular por medio de módulos de comunicación remota, admitiendo acoplar diferentas señales al PLC a través de los distintos protocolos de comunicación.
para almacenar datos durante su ejecución y/o retenerlos luego de terminadas las aplicaciones (se puede decir que es necesario una lectura y escritura rápida). Como la velocidad juega un papel importante en la velocidad de operación del PLC se utilizan memorias tipo RAM. Entradas y salidas:
Las entradas y salidas son los elementos del PLC que lo vinculan al campo. En el caso de las entradas, deben ser adecuadas a las tensiones y corrientes que maneja el procesador para que éste las pueda reconocer. Y en el caso de las salidas, las señales del procesador deben se modicadas
para actuar sobre algún dispositivo del campo. Esto se puede realizar con el uso de transistores, triacs o relés. Como no todas las señales que van o vienen del campo son 10.0.0.3
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Software
La familia DVP utiliza el software ISP Soft para PC que es un completo sistema de desarrollo que permite la programación del controlador, simulación, monitoreo y supervisión. El ISP Soft es un software gratuito, se rige según la norma IEC 61131 y cuenta con tres lenguajes de programación: “LD-Ladder”, “IL-lista de instrucciones”, “SFC- Grafcet”. El ISP Soft también admite la creación de bloque de funciones armadas por el usuario, permitiendo, de esta forma, armar bibliotecas de bloque que agilizan las programaciones futuras y logra mayor organización al programar. Al agregar potencia al ISP Soft, se asocia distintos software para armar, monitorear y controlar redes de comunicaciones, que facilita la conexión de distintos dispositivos de una manera muy sencilla. COMMGR: Asistente para comunicación Modbus DeviceNet Builder : Asistente para redes DeviceNet Can Open Builder: Asistente para comunicaciones Can
Open DSI Soft: Asistente para comunicaciones Ethernet/ip Todos los soft se pueden descargar desde www.microautomacion.com Funciones: Comparaciones: Permite comparar valores de un bit o de
un conjunto de bits. Aritméticas: Funciones de cálculo matemático (multiplicación, división, suma, resta, etc.). Lazos de control : Función de lazo tales como FOR, Next, Jump. Desplazamiento y rotación: Posibilita la rotación y el deslazamiento de bit y palabras. Interpolación de ejes: Herramientas para el movimiento de servomotores, relativas o absolutas. Contadores de alta velocidad: Admite el control de las entradas de alta velocidad, contadores, comparadores (PID: lazo de control; RTC -Real Time Clock-: control con reloj de tiempo real).
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Interfaz Hombre Máquina (HMI)
Como su nombre lo indica es un dispositivo o sistema que permite la interacción entre el hombre y la máquina de ma nera muy gráca e intuitiva. Este dispositivo es programable y posee innidad de bi -
bliotecas, en las cuales podemos encontrar pulsadores, llaves, imágenes prediseñadas, display, teclados, grácos
de barras, animaciones, etc., posibilitando también importar imágenes desde un archivo y, de este modo, poder armar el entorno gráco lo más claro para el usuario.
La HMI tiene incluido un conjunto de herramientas que simplicarán el trabajo de los prog ramadores, haciéndo las
mucho más versátiles e intuitivas; entre ellas podemos tener: Data Logging: Se pueden obtener datos hi stóricos de los
procesos y almacenarlos de la manera más conveniente. Recetas: Varias veces, para hacer distintos productos, se utilizan los mismos materiales pero con diferentes proporciones, velocidades o temperaturas. En este punto, es donde las pantallas pueden aplicar una receta, permitiendo la calibración de la máquina con solo apretar un botón. Cambio de idiomas: Esta herramienta logra cambiar el idioma de las distintas páginas de la HMI. Animaciones: Facilita realizar animaciones, las cuales se pueden asociar a un evento ocurrido en el proceso. Macros: Admite efectuar una programación en C, la cual se asocia a distintos eventos. Seguridad: Teniendo en cuenta las seguridad, se permite controlar hasta ocho niveles de seguridad por medio de distintos passwords. Comunicación: Las pantallas DOP-B poseen distintos puer-
tos de comunicación para armar diferentas redes. Cuenta con Modbus incorporado o Ethernet/IP, dependiendo de la necesidad. Estas pantallas posibilitan vincular dispositivos disímiles: inverters, PLC, servo drive, etc., que pueden ser de distintas marcas, ya que tiene múltiples licencias. De este modo, se logra vincular la pantalla a un proyecto existente. Software: DOP Soft es un software intuitivo, amigable y
gratuito. En éste podemos armar las distintas páginas que va a tener nuestro proyecto y congurar las redes de c omuni cación que estaremos utilizando. Tiene una interfaz gráca,
la cual ofrece un nivel de versatilidad muy alto. Este software brinda la posibilidad de hacer de puente para comunicarnos con un PLC de la familia DVP. Esta herramienta juntos a los soft asociados “DOP e- Remote” y “DOP e-Server” no permiten un control total de manera remota. > DOP e-Remote: Posibilita monitorear y controlar nuestra HMI mediante nuestra red Ethernet. > DOP E Server: Consigue monitorear, de manera remota, distintos parámetros preestablecidos, actuando como un servidor. El DOP-Soft también cuenta con un potente simulador que facilita al programador monitorear cómo avanza su proyecto sin la necesidad de estar conectado a la pantalla. El DOP Soft se puede descargar desde www.microautomacion.com
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