Autómatas Programables y Sistemas de Automatización – Mandado, Marcos, Fernández, Armesto – 1ra Edición

PARTE 1 – FUNDAMENTOS DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES
1. Introducción a los Controladores Lógicos 3
1.1 Conceptos generales 3
1.2 Controladores lógicos sin unidad operativa 6
1.2.1 Controladores lógicos combinacionales 6
1.2.1.1 Controladores lógicos combinacionales cableados 6
1.2.1.2 Controladores lógicos combinacionales programables 9
1.2.2 Controladores lógicos secuenciales 11
1.2.2.1 Introducción 11
1.2.2.2 Controladores lógicos secuenciales síncronos 12
1.2.2.2.1 Conceptos básicos 12
1.2.2.2.2 Especificación de los controladores lógicos secuenciales síncronos 16
1.2.2.2.3 Controladores lógicos secuenciales síncronos cableados 25
1.2.2.2.4 Controladores lógicos secuenciales síncronos programables de arquitectura fija 28
1.2.2.2.5 Controladores lógicos secuenciales síncronos programables de arquitectura configurable 34
1.3 Controladores lógicos con unidad operativa 36
1.3.1 Introducción 36
1.3.2 Autómatas programables con una unidad lógica 38
1.3.2.1 Introducción 38
1.3.2.2 Conceptos básicos 38
Unidades de entrada y salida 40
Unidad Central 42
1.3.2.3 Autómatas programables con instrucciones de cargay memorización o salida 45
Autómata Programable con instrucciones de salto condicional. 50
Autómata Programable con instrucciones de inhibición y desinhibición 50
1.3.2.4 Síntesis de sistemas digitales mediante autómatas programables realizados con una unidad lógica 55
1.3.2.4.1 Síntesis de sistemas combinacionales 55
1.3.2.4.2 Síntesis de sistemas secuenciales caracterizados por flancos 57
1.3.3 Autómatas programables basados en un computador 67
1.3.3.1 Introducción 67
1.3.3.2 Características generales de los computadores 68
1.3.3.3 Características de los autómatas programables basadosen un computador 75
1.3.3.3.1 Características generales 75
1.3.3.3.2 Recursos físicos (hardware) y de programación (software) 80
Bibliografía 99

PARTE 2 – SISTEMAS DE PROGRAMACIÓN DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES
2. Sistema STEP7 de programación de autómatas programables 103
2.1 Introducción 103
2.2 Características generales de STEP7 103
2.2.1 Tipos de datos 104
2.2.2 Unidades de organización del programa 105
2.2.3 Variables 106
2.3 Lenguaje de lista de instrucciones (AWL) de STEP7 108
2.3.1 Conceptos generales 108
2.3.2 Identificación de variables 108
2.3.3 Instrucciones 110
2.3.4 Instrucciones que operan con variables lógicas 112
2.3.4.1 Introducción 112
2.3.4.2 Instrucciones de selección, de entrada y salida o de operación 113
2.3.4.2.1 Instrucciones sin paréntesis 113
2.3.4.2.2 Instrucciones con paréntesis 118
2.3.4.3 Instrucciones de memorización 124
2.3.4.4 Instrucciones que operan con flancos 127
2.3.5 Instrucciones que operan con combinaciones binarias 131
2.3.5.1 Introducción 131
2.3.5.2 Instrucciones de carga y transferencia. 132
2.3.5.3 Instrucciones aritméticas 135
2.3.5.4 Instrucciones de comparación 138
2.3.5.5 Instrucciones de conversión 141
2.3.5.6 Instrucciones de desplazamiento y rotación 141
2.3.5.7 Instrucciones lógicas con combinaciones binarias 142
2.3.6 Instrucciones de temporización 144
2.3.7 Instrucciones de contaje 156
2.3.8 Instrucciones de control del programa 162
2.3.8.1 Instrucciones de salto 163
2.3.8.2 Instrucciones de control de bloque 169
2.3.8.3 Instrucciones de control de la ejecución de un grupo de instrucciones 172
2.4 Lenguaje de esquema de contactos (KOP) de STEP7 173
2.4.1 Conceptos generales 173
2.4.2 Identificación de variables 175
2.4.3 Operaciones con contactos 175
2.4.3.1 Operaciones lógicas 177
2.4.3.2 Operaciones de memorización 181
2.4.3.3 Operación de inversión 182
2.4.4 Operaciones con contactos y bloques 183
2.4.4.1 Operaciones con flancos 183
2.4.4.2 Operaciones de temporización 186
2.4.4.3 Operaciones de contaje 188
2.5 Lenguaje de diagrama de funciones (FUP) de STEP7 190
2.5.1 Conceptos generales 190
2.5.2 Identificación de variables 190
2.5.3 Operaciones lógicas 190
2.5.4 Operaciones de memorización 196
2.5.5 Operaciones con flancos 198
2.5.6 Operaciones de temporización 200
2.5.7 Operaciones de contaje 202
2.6 Lenguaje de diagrama funcional de secuencias (S7-GRAPH) de STEP7 203
Bibliografía 203
3. Sistema normalizado IEC 1131-3 de programación de autómatas programables 205
3.1 Introducción 205
3.2 Características generales del sistema normalizado IEC 1131-3 206
3.2.1 Tipos de datos 206
3.2.2 Unidades de organización del programa de un proyecto 206
3.2.2.1 Subprogramas 207
3.2.2.2 Funciones 208
3.2.2.3 Bloques funcionales 209
3.2.2.4 Variables 210
3.3 Lenguaje normalizado de lista de instrucciones 211
3.3.1 Conceptos generales 211
3.3.2 Identificación de variables 212
3.3.3 Instrucciones 212
3.3.4 Instrucciones que operan con variables lógicas 214
3.3.4.1 Introducción 214
3.3.4.2 Instrucciones de selección, de entrada y salida o de operación 214
3.3.4.3 Instrucciones de memorización 221
3.3.4.4 Instrucciones que operan con flancos 222
3.3.5 Instrucciones que operan con combinaciones binarias 223
3.3.5.1 Introducción 223
3.3.5.2 Instrucciones de selección 223
3.3.5.3 Instrucciones aritméticas 223
3.3.5.4 Instrucciones de comparación 224
3.3.5.5 Instrucciones lógicas con combinaciones binarias 225
3.3.6 Instrucciones de control 227
3.3.6.1 Instrucciones de salto 227
3.3.6.2 Instrucciones de llamada y retorno de módulo 228
3.3.7 Funciones 230
3.3.8 Bloques funcionales 233
3.3.8.1 Introducción 233
3.3.8.2 Bloques funcionales de memorización 233
3.3.8.3 Bloques funcionales de detección de flanco 235
3.3.8.4 Bloques funcionales temporizadores 236
3.3.8.5 Bloques funcionales contadores 238
3.3.8.6 Bloques funcionales de usuario 242
3.4 Lenguaje normalizado de esquema de contactos 243
3.4.1 Conceptos generales 243
3.4.2 Identificación de variables 245
3.4.3 Operaciones con contactos 245
3.4.3.1 Operaciones lógicas 246
3.4.3.2 Operaciones de memorización 249
3.4.3.3 Operaciones con flancos 249
3.4.4 Bloques funcionales 252
3.4.4.1 Bloques funcionales normalizados 252
3.4.4.2 Bloques funcionales de usuario 254
3.4.5 Funciones 254
3.5 Lenguaje normalizado de diagrama de funciones 254
3.5.1 Conceptos generales 254
3.5.2 Identificación de variables 255
3.5.3 Operaciones lógicas 255
3.5.4 Bloques funcionales 257
3.6 Lenguaje normalizado de diagrama funcional de secuencias 258
3.7 Relación entre el sistema STEP7 y el sistema normalizado IEC1131-3 259
Bibliografía 260

PARTE 3 – SISTEMAS DE CONTROL IMPLEMENTADOS CON AUTÓMATAS PROGRAMABLES
4. Fundamentos de los Sistemas Electrónicos de Control 263
4.1 Introducción 263
4.2 Clasificación y fundamentos de los sistemas electrónicos de control 264
4.2.1 Clasificación de los sistemas electrónicos de control según la formade controlar el proceso 266
4.2.2 Clasificación de los sistemas electrónicos de control según el tipode variables de entrada 269
4.2.2.1 Introducción 269
4.2.2.2 Sistemas de control lógico 269
4.2.2.3 Sistemas de control de procesos continuos 270
4.2.2.3.1 Introducción y clasificación 270
4.2.2.3.2 Clasificación de los sistemas de control de procesos según el tipo de señales internas 270
4.2.2.3.3 Clasificación de los sistemas de control de procesos según el algoritmo de control 273
4.2.3 Clasificación de los sistemas electrónicos de control segúnla estructura organizativa 276
4.2.4 Clasificación de los sistemas electrónicos de control segúnel nivel de riesgo 276
Bibliografía 276
5. Diseño de sistemas de control lógico con autómatas programables ?281
5.1 Introducción 281
5.2 Herramientas de diseño asistido por computador de los sistemaselectrónicos de control lógico basados en autómatas programables 281
5.2.1 Introducción 281
5.2.2 Administración de un proyecto STEP7 282
5.2.3 Recursos y requisitos necesarios para desarrollar un programa en STEP7 ???284
5.3 Métodos clásicos de diseño del programa de control 286
5.3.1 Diseño de sistemas combinacionales con un autómata programable 287
5.3.2 Diseño de sistemas de control lógico secuencial implementadoscon un autómata programable 292
5.3.2.1 Método de diseño basado en la emulación de biestables RS 292
5.3.2.2 Método del algoritmo compacto de emulación del diagrama de estados 309
5.4 Métodos de diseño de sistemas complejos de control lógico secuencial 314
5.4.1 Método de diseño basado en la partición del algoritmo en fases 315
5.4.2 Método de diseño basado en el diagrama funcional de secuencias 324
5.4.2.1 Introducción 324
5.4.2.2 Conceptos básicos del lenguaje S7-GRAPH 325
5.4.2.2.1 Reglas de evolución del lenguaje S7-GRAPH 327
5.4.2.2.2 Operaciones permanentes 333
5.4.2.3 Conceptos avanzados de S7-GRAPH 334
5.4.2.3.1 Denominación de las etapas 334
5.4.2.3.2 Acciones asociadas a etapas 335
5.4.2.3.3 Supervisión de la evolución entre etapas 336
5.4.2.3.4 Eventos y acciones asociadas 337
5.4.2.3.5 Acciones para activar y desactivar otras etapas 338
5.4.2.3.6 Transiciones condicionadas por etapas o por otras transiciones 339
5.4.2.3.7 Temporizadores, contadores y operaciones aritméticas en acciones 340
5.4.2.4 Integración de cadenas secuenciales programadas en S7-GRAPH 343
5.4.2.5 Ejemplos de diseño de sistemas de control lógico mediante el lenguaje S7-GRAPH 345
5.4.2.6 Ejemplos tipo de sistemas de automatización diseñados con S7-GRAPH ???????353
5.5 Comparación del método de diseño basado en S7-GRAPHy el del diagrama de partición en fases 363
Bibliografía 371
6. Control de procesos mediante autómatas programables 373
6.1 Introducción 373
6.2 Controladores no lineales intermitentes 375
6.2.1 Conceptos generales 375
6.2.2 Controlador todo-nada básico 375
6.2.3 Controlador todo-nada de dos posiciones 376
Controlador todo-nada con histéresis 376
Controlador todo-nada con zona muerta 378
6.2.4 Controlador todo-nada multiposición 378
6.2.5 Controlador intermitente proporcional en el tiempo 379
6.3 Controladores lineales continuos 380
6.3.1 Introducción 380
6.3.2 Controlador continuo Proporcional 380
6.3.3 Controlador continuo Proporcional, Integral, Derivativo (PID) 383
6.3.3.1 Introducción 383
6.3.3.2 Acción de control Integral 385
6.3.3.3 Acción de control Derivativa 388
6.3.3.4 Combinación de las acciones Proporcional, Integral y Derivativa (PID) 391
6.3.4 Elección del algoritmo de control 392
6.3.5 Ajuste empírico de controladores PID 394
6.3.5.1 Introducción 394
6.3.5.2 Métodos empíricos de ajuste con identificación en bucle abierto 395
6.3.5.2.1 Introducción 395
6.3.5.2.2 Método de Ziegler-Nichols con identificación en bucle abierto 396
6.3.5.2.3 Método de Cohen y Coon 399
6.3.5.2.4 Método de Chien, Hrones y Reswick (CHR) 400
6.3.5.3 Métodos empíricos de ajuste con identificación en bucle cerrado 403
6.3.5.3.1 Método de “Prueba y error” 403
6.3.5.3.2 Método de Ziegler-Nichols con identificación en bucle cerrado 404
6.3.5.3.3 Método del relé de Åström y Hägglund 404
6.3.5.4 Métodos de ajuste basados en modelos matemáticos 405
6.3.6 Implementación del control continuo PID medianteun autómata programable 407
6.3.6.1 Introducción 407
6.3.6.2 Bloques funcionales y lenguajes 410
6.3.6.3 Lenguaje CFC de descripción de sistemas de control de procesos continuos 411
Bibliografía 425

PARTE 4 – ENTORNO DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES
7. Sensores Industriales 429
7.1 Introducción 429
7.2 Características de los sensores industriales 430
7.2.1 Introducción 430
7.2.2 Clasificación de los sensores industriales según el principio de funcionamiento del elemento sensor 431
7.2.3 Clasificación de los sensores según el tipo de señal eléctrica que generan ???432
7.2.3.1 Sensores analógicos 433
7.2.3.2 Sensores digitales 435
7.2.3.3 Sensores temporales 437
7.2.4 Clasificación de los sensores según el rango de valores 439
7.2.5 Clasificación de los sensores industriales según el modo de operación 440
7.2.6 Clasificación de los sistemas sensores según la función de transferencia 441
7.2.7 Clasificación de los sistemas sensores según el nivel de integración 442
7.2.8 Clasificación de los sensores según la variable física medida 445
7.3 Características de entrada de los sensores industriales 446
7.3.1 Campo o rango de medida 446
7.3.2 Forma de variación de la magnitud de entrada 447
7.4 Características eléctricas 448
7.4.1 Características eléctricas de salida 448
7.4.1.1 Sensores de salida analógica 449
7.4.1.2 Sensores de salida digital 450
7.4.1.3 Sensores de salida todo-nada 451
7.4.1.4 Sensores de salida temporal 462
7.4.2 Características de alimentación 463
7.4.3 Características de aislamiento 464
7.5 Características mecánicas 464
7.5.1 Conceptos generales 464
7.5.2 Grado de protección ambiental de los sensores industriales 465
7.6 Características de funcionamiento 465
7.6.1 Introducción 465
7.6.2 Características estáticas 466
7.6.2.1 Exactitud 467
7.6.2.2 Precisión, repetibilidad y reproducibilidad 467
7.6.2.3 Calibración 468
7.6.2.4 Histéresis 469
7.6.2.5 Linealidad 469
7.6.2.6 Mínimo valor medible o umbral 470
7.6.2.7 Resolución 470
7.6.2.8 Sensibilidad 471
7.6.3 Características dinámicas 471
7.6.3.1 Introducción 471
7.6.3.2 Respuesta en frecuencia 471
7.6.3.3 Tiempo de respuesta 471
7.6.3.4 Tiempo de subida 472
7.6.3.5 Constante de tiempo 473
7.6.3.6 Amortiguamiento o sobreoscilación (?V) 473
7.6.4 Características ambientales 473
7.6.4.1 Efectos térmicos 473
7.6.4.2 Efectos de la aceleración y las vibraciones 474
7.6.4.3 Efectos de la presión ambiental 475
7.6.4.4 Efectos de las perturbaciones eléctricas 475
7.6.4.5 Otros efectos 475
7.6.5 Características de fiabilidad 476
7.7 Sensores industriales de aplicación general en procesos de fabricación 477
7.7.1 Introducción 477
7.7.2 Sensores detectores de objetos 477
7.7.2.1 Introducción 477
7.7.2.2 Sensores de proximidad con contacto 479
7.7.2.2.1 Introducción 479
7.7.2.2.2 Finales de carrera 480
7.7.2.2.3 Microrruptores 492
7.7.2.3 Sensores de proximidad sin contacto 494
7.7.2.3.1 Conceptos generales 494
7.7.2.3.2 Símbolos normalizados 495
7.7.2.3.3 Sensores optoelectrónicos de proximidad 500
7.7.2.3.3.1 Introducción 500
7.7.2.3.3.2 Características constructivas de las fotocélulas 503
7.7.2.3.3.3 Características técnicas de las fotocélulas 505
7.7.2.3.3.4 Sensores optoelectrónicos de proximidad de barrera de luz 509
7.7.2.3.3.5 Sensores optoelectrónicos de proximidad de reflexión sobre espejo 514
7.7.2.3.3.6 Sensores optoelectrónicos de proximidadde reflexión sobre objeto 519
7.7.2.3.3.7 Fotocélulas de fibra óptica 525
7.7.2.3.4 Sensores magnéticos de proximidad 529
7.7.2.3.5 Sensores inductivos de proximidad 530
7.7.2.3.5.1 Conceptos generales 530
7.7.2.3.5.2 Tipos de sensores inductivos de proximidad 533
7.7.2.3.5.3 Campo de trabajo 535
7.7.2.3.5.4 Características técnicas ?539
7.7.2.3.5.5 Normas de instalación ?544
7.7.2.3.6 Sensores capacitivos de proximidad 545
7.7.2.3.6.1 Conceptos generales 545
7.7.2.3.6.2 Tipos de sensores capacitivos de proximidad 548
7.7.2.3.6.3 Campo de trabajo 550
7.7.2.3.6.4 Características técnicas 554
7.7.2.3.6.5 Normas de instalación 555
7.7.2.3.7 Sensores ultrasónicos de proximidad 556
7.7.2.3.7.1 Introducción 556
7.7.2.3.7.2 Ultrasonidos 557
7.7.2.3.7.3 Sensores ultrasónicos de barrera 566
7.7.2.3.7.4 Sensores ultrasónicos detectores de eco 568
7.7.2.4 Sensores de medida de distancias 583
7.7.2.4.1 Introducción 583
7.7.2.4.2 Codificadores optoelectrónicos de posición 583
7.7.2.4.3 Transformador diferencial variable lineal 586
Bibliografía 588
8. Interfaces de entrada y salida 591
8.1 Introducción y clasificación 591
8.2 Interfaz de conexión con el proceso 592
8.2.1 Introducción 592
8.2.2 Interfaces de conexión con el proceso de aplicación general 594
8.2.2.1 Introducción 594
8.2.2.1.1 Interfaces de variables todo-nada 594
8.2.2.1.2 Interfaces de variables analógicas 596
8.2.2.2 Interfaz de variables de entrada todo-nada sin aislamiento galvánico 598
8.2.2.3 Interfaz de variables de entrada todo-nada con aislamiento galvánico 599
8.2.2.3.1 Introducción 599
8.2.2.3.2 Interfaces de variables de entrada todo-nada con aislamientogalvánico y alimentación en continua 599
8.2.2.3.3 Interfaz de variables de entrada todo-nada con aislamientogalvánico y alimentación en alterna 607
8.2.2.4 Interfaces de variables de salida todo-nada con alimentaciónen continua ???????607
8.2.2.4.1 Clasificación y descripción 607
8.2.2.4.2 Protección de las salidas todo-nada 612
8.2.2.5 Interfaces de variables analógicas de entrada 616
8.2.2.6 Interfaces de variables analógicas de salida 620
8.2.3 Interfaces de conexión con el proceso de aplicación específica 624
8.2.3.1 Unidades de entrada de medida de temperatura 624
8.2.3.2 Unidades de entrada de contaje 626
8.2.3.3 Unidades de entrada/salida remotas 626
8.2.3.4 Unidades de posicionamiento 629
8.2.3.5 Unidades de regulación 632
8.3 Interfaces de conexión autómata-usuario 635
8.3.1 Unidades de programación 635
8.3.2 Equipos de interfaz máquina-usuario 636
8.3.2.1 Introducción 636
8.3.2.2 Características de los equipos HMI 638
8.3.3 Sistemas de supervisión y adquisición de datos (SCADA) 643
Bibliografía 647
9. El autómata programable y las Comunicaciones Industriales 649
9.1 Introducción 649
9.2 El computador y el ciclo del proceso de un producto 651
9.2.1 Conceptos generales 651
9.2.2 Diseño asistido por computador 653
9.2.3 Ingeniería asistida por computador 654
9.2.4 Fabricación asistida por computador 654
9.2.4.1 Introducción 654
9.2.4.2 Clases de automatización y sus características 655
9.2.4.2.1 Automatización fija ?655
9.2.4.2.2 Automatización programable 656
9.2.4.2.3 Automatización flexible 657
9.2.4.2.4 Automatización integrada 657
9.2.4.3 Planificación de los productos a fabricar 658
9.2.4.4 Sistemas electrónicos de control 659
9.2.4.4.1 Sistemas de control numérico 660
9.2.4.4.2 Autómatas Programables 666
9.2.4.4.3 Computadores industriales 667
9.2.4.4.4 Sistemas electrónicos de control de procesos continuos 676
9.2.4.4.5 Sistemas CAD-CAM 678
9.2.4.5 Sistemas de manipulación de elementos 679
9.2.4.5.1 Introducción 679
9.2.4.5.2 Conceptos básicos de los robots y clasificación de los mismos 679
9.2.4.6 Sistemas de fabricación flexible 683
9.2.4.6.1 Módulo de fabricación flexible 684
9.2.4.6.2 Célula de fabricación flexible 684
9.2.4.6.3 Línea de fabricación flexible 686
9.2.4.6.4 Taller flexible 686
9.2.5 Fabricación integrada por computador. Pirámide CIM 688
9.2.5.1 Introducción 688
9.2.5.2 Implantación del modelo CIM 690
9.3 Comunicaciones Industriales 695
9.3.1 Introducción 695
9.3.2 Redes de Comunicaciones Industriales 697
9.3.2.1 Clasificación de las redes de Comunicaciones Industriales 697
9.3.2.2 Redes de datos 698
9.3.2.2.1 Redes de empresa y de fábrica 698
9.3.2.2.2 Redes de célula 699
9.3.2.3 Redes de control 701
9.3.2.3.1 Conceptos generales 701
9.3.2.3.2 Redes de controladores 704
9.3.2.3.3 Redes de sensores-actuadores 704
9.3.2.4 Familias de redes industriales 706
9.3.2.5 Redes Ethernet Industrial 706
9.3.2.5.1 Introducción 706
9.3.2.5.2 Tipos de redes Ethernet Industrial 707
9.4 El autómata programable y las Comunicaciones Industriales 709
9.4.1 Introducción 709
9.4.2 Comunicación entre el autómata programable y losdispositivos de campo 710
9.4.3 Comunicación entre autómatas programables y otrossistemas electrónicos de control 712
9.4.4 Diseño e implantación de sistemas de control distribuidobasados en autómatas programables 714
9.4.4.1 Introducción 714
9.4.4.2 Metodología de diseño de sistemas de control distribuido 714
Bibliografía 717

PARTE 5 – GARANTÍA DE FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE CONTROL
10. Confiabilidad de los Sistemas Electrónicos de Control 723
10.1 Introducción 723
10.2 Sistemas electrónicos independientes de seguridad 725
10.2.1 Definición y descripción 725
10.2.2 Módulos de seguridad 726
10.2.3 Sensores de seguridad 729
10.2.3.1 Sensores de proximidad de seguridad de actuación mecánica 729
10.2.3.2 Sensores magnéticos de posición de seguridad 730
10.2.3.3 Sensores optoelectrónicos de seguridad detectores de objetos 731
10.3 Confiabilidad de los autómatas programables 734
10.3.1 Introducción 734
10.3.2 Confiabilidad de los autómatas programables de aplicación general 735
10.3.2.1 Introducción 735
10.3.2.2 Recursos internos de diagnóstico 735
10.3.2.2.1 Circuito de vigilancia 735
10.3.2.2.2 Circuito de comprobación de la batería 737
10.3.2.2.3 Entradas de seguridad 737
10.3.2.2.4 Instrucciones del tipo MCR 737
10.3.2.2.5 Instrucciones de acceso a la periferia 737
10.3.2.3 Recursos externos de diagnóstico 737
10.3.2.3.1 Seguridad de las entradas 738
10.3.2.3.2 Seguridad de las salidas 742
10.3.2.4 Seguridad ante sabotajes (Security) 745
10.3.3 Autómatas programables de elevada confiabilidad 745
10.3.3.1 Conceptos generales 745
10.3.3.2 Autómatas programables de seguridad 748
10.3.3.3 Autómatas programables de elevada disponibilidad 752