Autómatas programables / Josep Balcells, José Luis Romeral.

CONTENIDO
PARTE I: AUTOMATIZACION: CONCEPTOS GENERALES
1. Introducción aI control industrial 3
1.2. Sistemas de control 4
1.3. Automatismos analógicos y digitales 4
1.4. Componentes y modelos 5
1.5. Automatismos cableados y programables 6
1.6. El autómata programable 7
1.7. Control por ordenador 8
2. Diseño de automatismos lógicos 10
2.2. Modelos y funciones de transferencia 11
2.3. Automatismos combinacionales y secuenciales 13
2.4. Diseño de automatismos combinacionales 16
2.5. Diseño de automatismos secuenciales 17
2.6. GRAFCET: Resumen histórico 18
2.7. Diseño basado en GRAFCET 19
2.8. GRAFCET: Elementos de base y reglas de evolución 20
2.9. GRAFCET: Ejemplo de diseño 23
2.10. Macroetapas y representación en detalle 25
2.11. Estructuras básicas del GRAFCET 26
2.11.1. Secuencia lineal 27
2.11.2. Divergencia y convergencia en 0 27
2.11.3. Divergencia y convergencia en Y 29
2.12. Diagramas de flujo y diagramas GRAFCET 30
2.13. Etapas iniciales, preposicionamiento y alarmas 32
2.14. Puestas en marcha y paradas: GEMMA 33
2.14.1. Elementos de base 33
2.14.2. Estados de funcionamiento 33
2.14.3. Estados de paro 35
2.14.4. Estados de fallo 35
2.15. Método general de diseño basado en GEMMA 35
2.15.1. Coordinación horizontal 36
2.15.2. Coordinación piramidal o jerarquizada 36
2.16. Paros de emergencia 36
2.17. Ejemplo de diseño 37
2.17.1. Fases A y B de diseño 37
2.17.2. Fase C de diseño 38
2.17.3. Fase D de diseño 38
3. Diseño de automatismos con señales analógicas 41
3.2. Modelo de sistemas analógicos: Diagramas de bloques 41
3.3. Función de transferencia (FDT) 42
3.4. Paso de la ecuación diferencial a la FDT 43
3.5. Respuesta temporal 44
3.6. Operaciones básicas con bloques 46
3.7. Bloques de primer y de segundo orden 47
3.8. Representación gráfica de la FDT 48
3.8.1. Gráficos de Bode 48
3.8.2. FDT de primer orden 48
3.8.3. FDT de segundo orden 50
3.9. Control en lazo cerrado: Estabilidad 53
3.10. Acciones básicas de control y su implementación con controladores digitales 56
3.10.1. Acción proporcional 57
3.10.2. Acción integral 58
3.10.3. Acción derivativa 59
3.10.4. Controladores PID 60
3.11. Controladores todo o nada 60
3.12. Elección del controlador óptimo 61
3.12.1. Parámetros de evaluación 61
3.12.2. Caracterización de la planta 62
3.12.3. Elección y optimización del regulador 62
PARTE II: EL AUTOMATA PROGRAMABLE
4. Arquitectura interna del autómata 67
4.2. Bloques esenciales de un autómata 67
4.3. Unidad central de proceso CPU 68
4.4. Memoria del autómata 69
4.4.1. Memorias internas 70
4.4.2. Memoria de programa 72
4.5. Interfaces de entrada y salida 73
4.6. Fuente de alimentación 73
5. Ciclo de funcionamiento del autómata y control en tiempo real 76
5.2. Modos de operación 76
5.3. Ciclo de funcionamiento 77
5.4. Chequeos del sistema 80
5.5. Tiempo de ejecución y control en tiempo real 81
5.6. Elementos de proceso rápido 83
5.7. Procesado rápido de programas 84
5.8. Contador de alta velocidad 85
5.9. Entradas detectoras de flanco 87
6. Configuración del autómata 90
6.2. Tipos de procesadores en la unidad central de proceso 90
6.3. Configuraciones de la unidad de control 93
6.3.1. Multiprocesadores centrales 94
6.3.2. Procesadores periféricos 97
6.4. Unidades de control redundantes 101
6.5. Configuraciones del sistema de entradas/salidas 102
6.5.1. Entradas / salidas centralizadas 103
6.5.2. Entradas / salidas distribuidas 105
6.6. Memorias de masa 108
7. Sensores y actuadotes 113
7.2. Sensores: Clasificación 113
7.3. Características generales de los sensores 115
7.3.1. Características estáticas 115
7.3.2. Características dinámicas 116
7.4. Transductores de posición: Conceptos generales 116
7.5. Detectores de proximidad 116
7.5.1. Conceptos generales 116
7.5.2. Detectores inductivos 117
7.5.3. Detectores capacitivos 118
7.5.4. Detectores ópticos 119
7.5.5. Detectores ultrasónicos 119
7.5.6. Criterios de selección 120
7.6. Medidores de posición o distancia 120
7.6.1. Potenciometros 120
7.6.2. Encoders 121
7.6.3. Sincros y resolvers 122
7.6.4. Inductosyn 124
7.6.5. Sensores láser 125
7.6.6. Sensores ultrasónicos 126
7.6.7. Sensores magnetoestrictivos 126
7.7. Medidores de pequeños desplazamientos y deformaciones 126
7.7.1. Transformadores diferenciales 126
7.7.2. Galgas extensometricas 127
7.7.3. Transductores piezoelectricos 128
7.8. Transductores de velocidad 129
7.8.1. Dinamo tacometrica 129
7.8.2. Generadores de impulsos 129
7.9. Acelerometros 129
7.10. Transductores de fuerza y par 130
7.11. Transductores de temperatura 130
7.11.1. Termostatos 131
7.11.2. Termopares 131
7.11.3. Termorresistencias Pt100 131
7.11.4. Termorresistencias PTC y NTC 132
7.11.5. Pirometros de radiación 132
7.12. Transductores de presión 133
7.13. Transductores de caudal 133
7.13.1. Medidores par efecto Ventura 134
7.13.2. Medidores par presión dinámica 134
7.13.3. Medidores par velocidad y par inducción 134
7.13.4. Medidores volumétricos 135
7.14. Transductores de nivel 135
7.14.1. Transductores todo o nada 135
7.14.2. Transductores por presión 135
7.14.3. Transductores par flotador 136
7.14.4. Transductores ultrasónicos 136
7.15. Accionamientos: Clasificación 136
7.16. Accionamientos eléctricos 136
7.16.1. Relés y contactores 136
7.16.2. Servomotores de CC 137
7.16.3. Servomotores de CA 138
7.16.4. Motores paso a paso 139
7.17. Accionamientos hidráulicos y neumáticos 141
7.17.1. Válvulas 141
7.17.2. Servovalvulas 141
7.17.3. Cilindros 142
7.17.4. Sujeción por vacío 143
7.17.5. Bombas y motores hidráulicos 143
8. Interfaces de entrada/salida 145
8.2. Tipos de interfaces de E/S 145
8.3. Entradas/salidas digitales 146
8.4. Entradas lógicas 147
8.4.1. Entradas de CC PNP 148
8.4.2. Entradas de CC NPN 150
8.4.3. Entradas de CA 150
8.5. Salidas lógicas 151
8.5.1. Salidas de CC PNP 152
8.5.2. Salidas de CC NPN 153
8.5.3. Salidas par relé 154
8.5.4. Salidas estáticas de CA 154
8.6. Entradas/salidas analógicas 155
8.7. Conversión D/A 156
8.7.1. Convertidores unipolares 156
8.7.2. Convertidores con signo 158
8.8. Conversión A/D 159
8.8.1. Adaptación de serial y circuito de S
H 159
8.8.2. Convertidores basados en contador 160
8.8.3. Convertidor de aproximaciones sucesivas 161
8.8.4. Convertidor de doble rampa de integración 162
8.9. Interfaces para entradas analógicas 163
8.10. Interfaces para salidas analógicas 166
9. Interfaces especificas 172
9.2. Entradas/salidas especiales 173
9.2.1. Entradas/salidas multiplexadas 173
9.2.2. Detectores o comparadores de umbral analógico 174
9.2.3. Medidas de temperatura 175
9.2.4. Módulos de contaje rápido 177
9.2.5. Interfaces adaptadoras de señal 178
9.2.6. Módulos de transmisión serie, o módulos ASCII 178
9.3. Entradas/salidas inteligentes 179
9.3.1. Acopladores analógicos 180
9.3.2. Convertidores de código binario/BCD 181
9.3.3. Interfaces de contaje rápido y lectura de recorrido 182
9.4 Procesadores periféricos inteligentes 183
9.4.1. Procesadores de regulación PID 184
9.4.2. Procesadores de posicionamiento 189
10. Programación del autómata 194
10.2. Representación de sistemas de control 195
10.2.1. Descripciones literales 196
10.2.2. Funciones algebraicas 196
10.2.3. Esquemas de relés 197
10.2.4. Diagramas lógicos 197
10.2.5. Ordinogramas 197
10.2.6. Representación GRAFCET 198
10.3. Identificación de variables y asignación de direcciones 199
10.4. Lenguajes de programación 200
10.5. Lenguajes booleanos y lista de instrucciones 202
10.6. Diagramas de contactos 204
10.7. Plano de funciones 206
10.8. Lenguajes de alto nivel 208
11. Programación de bloques funcionales 211
11.2. Bloques secuenciales básicos 212
11.2.1. Biestables 212
11.2.2. Temporizadores 213
11.2.3. Contadores 216
11.2.4. Registros de desplazamiento 218
11.2.5. Secuenciadores paso a paso 220
11.3. Bloques funcionales de expansión 221
11.3.1. Funciones de carga y transferencia 222
11.3.2. Comparaciones de datos 223
11.3.3. Instrucciones lógicas entre palabras 224
11.3.4. Funciones aritméticas 225
11.3.5. Funciones de comunicación 226
11.4. Instrucciones especiales 228
12. Estructuras de programación 231
12.2. Programación lineal 232
12.2.1. Saltos de programa 233
12.2.2. Relé maestro de control 235
12.3. Programación estructurada 235
12.3.1. Programación modular 237
12.3.2. Subrutinas 238
12.4. Programación multitarea 239
12.5. Tareas rápidas e interrupciones 241
12.6. Parametrizacion de módulos funcionales 243
12.7. Programación de procesadores periféricos inteligentes 245
13. Equipos de programación y servicio de los API 250
13.2. Equipos de programación 251
13.2.1. Consolas de programación 251
13.2.2. Terminales de programación 252
13.2.3. Software para la programación 255
13.3. Modos de trabajo de los equipos de programación 257
13.4. Unidades de dialogo y test 260
13.5. Visualizadores alfanumericos 261
13.6. Terminales de explotación 261
13.6.1. Terminales gráficos 265
13.6.2. Ejemplo de programa con terminal 265
PARTE III. REDES DE AUTOMATAS
14. Conceptos generales de comunicaciones digitales 271
14.2. Ventajas de las comunicaciones 271
14.3. Algunas definiciones relativas a comunicaciones 272
14.4. Normalización: Modelo de referencia OSI 275
14.4.1. Tareas asignadas a cada uno de los niveles OSI 276
14.5. Redes locales industriales 277
14.6. Topología de las LAN 279
14.7. Nivel físico de la red 280
14.7.1. Cables 280
14.7.2. Enlaces por fibra óptica 281
14.7.3. Modems telefónicos y via radio 282
14.7.4. Codificación y sincronización de datos 282
14.8. Enlaces estándar: Nivel físico 284
14.8.1. RS-232C, V.24 285
14.8.2. Bucle de corriente, TTY 286
14.8.3. RS-422 288
14.8.4. RS-485 289
14.8.5. ETHERNET 290
14.9. Estructura lógica de las LAN 291
14.9.1. Control de acceso al media (MAC) 291
14.9.2. Control lógico de enlace (LLC) 293
14.10. Control de errores 293
15. Redes de comunicación industriales 296
15.2. Buses de campo 297
15.3. MODBUS 299
15.3.1. Estructura de la red 299
15.3.2. Protocolo 300
15.3.3. Nivel de aplicación 305
15.3.4. Variante de MODBUS: JBUS 305
15.4. BITBUS 306
15.4.1 Estructura de la red 306
15.4.2. Protocolo 309
15.4.3. Nivel de aplicación 312
15.4.4. Aplicaciones industriales basadas en BITBUS 313
15.5. PROFIBUS 313
15.5.1. Estructura del a red 314
15.5.2. Protocolo 315
15.5.3. Aplicación 317
15.5.4. Algunas redes industriales basadas en PROFIBUS 318
15.6. Multiplexores de E/S 318
15.7. Redes LAN industriales 318
15.8. MAP 319
15.8.1. Estructura de la red y protocolo 319
15.8.2. Nivel de aplicación 320
15.9. MINIMAP 320
15.9.1. Estructura del área 321
15.9.2. Protocolo 321
15.9.3. Procedimientos de inicialización 322
15.10. ETHERNET 324
15.10.1. Estructura del área 325
15.10.2. Protocolo 326
15.10.3. Procedimientos de inicialización 327
15.11. Nivel de aplicación: Software 327
16. Ordenadores industriales compatibles PC 328
16.2. Autómata programable versus PC industrial 329
16.3. Características generales de un PC de aplicación industrial 331
16.4. Protecciones en el PC industrial 332
16.5. Configuración hardware del PC industrial 333
16.5.1. Unidad central de proceso y memoria interna 333
16.5.2. Interfaces E/S y controladores 334
16.5.3. Memorias masivas 334
16.5.4. Buses de interconexión 336
16.5.5. Periféricos del PC industrial 343
16.6. Presentaciones constructivas de PC industriales 345
17. Aplicaciones de los PC industriales 351
17.2. Sistemas operativos para PC industrial 351
17.3. Software para aplicaciones industriales 353
17.4. Funciones de los PC en la industria 355
17.5. Interfaz del PC con el mundo exterior 357
17.6. Sistemas de adquisición de datos 361
17.6.1. Sistemas de adquisición basados en tarjetas TAD 362
17.6.2. Sistemas de adquisición basados en instrumentos 365
17.7. El PC como controlador industrial 366
17.7.1. Red de autómatas- PC 367
17.7.2. El PC en control directo de planta 367
17.7.3. Sistemas de control distribuido 370
17.8. Aplicaciones para la supervisión y el control de producción 373
17.8.1. SCADA 374
17.8.2. Estructura de un paquete SCADA 375
17.9. Aplicaciones para la gestión de la información de planta 379
17.9.1. Software para el control de calidad 381
17.9.2. Software para el mantenimiento 382
PARTE IV. EL AUTOMATA EN SU ENTORNO
18. Instalación y mantenimiento de autómatas programables 387
18.2. Fase de proyecto con AP 387
18.3. Selección del autómata 389
18.4. Fase de instalación 390
18.5. Fijaciones y condiciones mecánicas 391
18.6. Espacios de ventilación 391
18.7. Distancias de seguridad eléctrica 391
18.8. Condiciones ambientales 391
18.9. Compatibilidad electromagnética 392
18.9.1. Origen y propagación de interferencias 393
18.9.2. Espectro de frecuencias 394
18.9.3. Comportamiento de los cables a alta frecuencia 395
18.9.4. Acoplamiento entre cables 396
18.9.5. Radiación 397
18.9.6. Descargas electrostáticas 398
18.9.7. Clasificación y separación de ambientes 399
18.9.8. Red de alimentación 400
18.9.9. Resumen de criterios de protección 400
18.10. Alimentación y protecciones 401
18.11. Distribución y cableado interno del armario de control 404
18.12. Cableado externo 404
18.13. Diseño e instalación del software 405
18.14. Fiabilidad de las instalaciones con autómatas 407
18.14.1. Fiabilidad 407
18.14.2. Disponibilidad 408
18.14.3. Seguridad 408
18.14.4. Averías en las instalaciones de autómatas 409
18.15. Mantenimiento de instalaciones con autómatas 409
ANEXOS
Anexo I. Principios de álgebra lógica 413
A1.1. Componentes todo-nada y variables lógicas 413
A1.2. Operaciones lógicas 413
A1.3. Propiedades del álgebra lógica 414
A1.4. Funciones lógicas: tabla de verdad 414
A1.5. Símbolos lógicos 416
A1.6. Tabla de Karnaugh y simplificación 416
A1.7. Referencias 417
Anexo II. Códigos y sistemas de numeración 418
A2.1. Información digital 418
A2.2. Sistema de numeración binario 419
A2.3. Números negativos en sistema binario 420
A2.4. Código BCD 420
A2.5. Sistema hexadecimal 421
Anexo III. Autómatas y redes comerciales 422
A3.1. Información 422
Anexo IV. Normalización y niveles de protección de equipos industriales 436
A4.1. Necesidad de una normalización industrial 436
A4.2. Compatibilidad y susceptibilidad electromagnéticas 436
A4.3. Solidez mecánica y especificaciones de operación 437
A4.4. Grados de protección 437
A4.5. Ejemplo de especificaciones 439