Diseño de un PLC mediante un microcontrolador para un sistema electroneumático (página 2)

Con los equipos disponibles en laboratorio de
neumática se realiza el siguiente
montaje;

Figura 2. Sistema de
transporte de
paquetes por deslizaderos.

Para poner a prueba el (PLC)
diseñado mediante un microcontrolador, se diseña un
circuito electroneumático que permite poner en uso el
número de entradas y salidas destinadas en el equipo. Es
entonces que se crea una actividad de tipo industrial o didáctica que cumpla las
características de manejo (I, Q), el oficio directo es
automatizar el funcionamiento de la máquina dispuesta. El
sistema de transporte de paquetes por deslizaderos requiere de
los siguientes elementos neumáticos,
electroneumáticos y accesorios;

Tabla 1. Elementos básicos del
montaje electroneumático.

El accionamiento del sistema comienza cuando el paquete
cae de la rampa de entrada y es detectado por el sensor de
proximidad S.1, este envía una señal digital a la
válvula 5/2 Y1 haciendo que el vástago del actuador
neumático 1.0 vaya a más (+) y suba el paquete,
inmediatamente el sensor de proximidad S.2 detecta el paquete
enviando una señal a la válvula 5/2 Y2 haciendo que
el vástago del actuador neumático 2.0 vaya a (+)
empujando el paquete hacia la rampa de salida, un sensor
magnético de final de carrera S.3 envía una
señal a Y3 haciendo que el actuador retorne a menos (-),
al estar el actuador 2.0 en posición inicial un sensor
magnético S.4 envía una señal a la
válvula 5/2 Y4 para hacer que el actuador neumático
1.0 retorne a la posición inicial es decir que
vástago vaya a (-) y así nuevamente comience un
nuevo ciclo cuando caiga otro paquete.

Figura 3. Circuito
electroneumático. [4]

Para dar solución a un montaje
electroneumático se debe disponer de un cuadro
eléctrico y de potencia, es
decir se emplean una fuente de
poder AC/DC según disposición de
electroválvulas, sensores,
relevos, y cableado eléctrico. Muchas veces la
solución se vuelve complicada por la cantidad de elementos
eléctricos y las redes que se deben
diseñar sin que los equipos neumáticos se bloquen,
de tal forma que el uso de un PLC es otra manera de que todo se
encuentre en una simple caja de control.

3.
SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR Y DISEÑO DEL
PROGRAMA

Para el proyecto se
utiliza los microcontroladores PIC de la Microchip, son
componentes electrónicos de fácil
consecución en el mercado,
además de su fácil manipulación y bibliografía expuesta.
Existen diferentes modelos de
PIC; el uso de uno o de otro depende de la exigencia del proyecto
diferenciándose por el número de líneas de
E/S y por los recursos que se
ofrecen. Una descripción detallada de cada tipo de PIC
está disponible en el sitio web de la
Microchip Technology.Inc donde se puede encontrar
información técnica, software de apoyo, ejemplos
de aplicación y actualizaciones disponibles.

Figura 4. Pines del PIC16F84A / Microchip
Technology.

Como se puede ver, el PIC16F84A esta dotado de un total
de 18 pines dispuestos en dos hileras paralelas de 9 pines cada
una. [1]

Los pines RA y RB representan las líneas de E/S
(Entrada/Salida) disponibles para la
aplicación.

Los pines 5 y 14 son los pines de alimentación y
tierra.

Y los pines 4, 15, 16 son reservados para el
funcionamiento del PIC (MCLR para el reset y OSC1-2 para el
clock).

Otras consideraciones para la selección
del microcontrolador; [3]

• Tecnología de baja potencia y alta velocidad
  CMOS Flash/EEPROM,
  versión para bajo consumo
  (16F84A), de 4 MHz. Un ciclo máquina del PIC son 4
  ciclos de reloj, por lo cual si tenemos un PIC con un cristal
  de 4 MHz, se ejecutarán 1 millón de instrucciones
  por segundo.
• Posee un repertorio de 35 Instrucciones.
• 15 registros de
  funciones
  especiales.
• Memoria de
  programa
  Flash de 1 K x 14 bits.
• Memoria RAM
  dividida en 2 áreas: 22 registros de propósito
  específico (SFR) y 68 de propósito general (GPR)
  como memoria de datos.
• Memoria de datos EEPROM de 64 bytes.
• ALU de 8 bits y registro de
  trabajo W
  del que normalmente recibe un operando que puede ser cualquier
  registro, memoria, puerto de Entrada/Salida o el propio
  código de instrucción.
• Puede operar bajo 4 modos diferentes de
  oscilador.
• Programación en serie a través de
  dos pins.
• Voltaje de alimentación de 5 v/DC.

3.1 Programación del PIC

En primer lugar se requiere de un software de ambiente
agradable en entorno Windows donde
poder realizar y simular el programa para el diseño
del PLC, para esto se tiene el IDE (Integrate Development
Enviroment) es decir, Ambiente de Desarrollo
Integrado más conocido como MPLAB. Este software
será el encargado de compilar el código fuente
creado, que no es más que el conjunto de instrucciones que
se edita en el MPLAB V.5.0 y que tienen
extensión .asm. Se selecciona esta versión
por ser esta la que menos recursos de software y hardware necesita para
trabajar con ella. El software funciona perfectamente en Win 98/
XP, es gratuito y se encuentra en la web de la
Microchip.

En Mplab se edita las diferentes directivas e
instrucciones de programa, se debe conocer muy bien las
diferentes instrucciones y es aquí donde se plasma la
capacidad e intuición de programación. Una vez bien
depurado el programa, este genera un archivo de salida
con extensión .hex.

Teniendo claro y específicamente lo que queremos
hacer con el PIC se comienza a elaborar el programa; se sabe que
se quieren activar 4 entradas y 4 salidas, esto se determina
mediante el sistema electroneumático a automatizar. En
este sistema no se utilizan temporizadores entonces se omiten en
el programa, pero se si requiere de rutinas de
ordenamiento.

Se establece las entradas y salidas del PIC que luego
serán las mismas para el PLC, estas se muestran en la
siguiente tabla; (DIR*/ Direcciones)

Tabla 2. Entradas y salidas para el PIC
/PLC.

Figura 5. Modulo de E/S para el
PLC.

Se tiene en cuenta que las entradas (I) al PLC son los
sensores de proximidad y las salidas (Q) son solenoides de las
electroválvulas.

En el editor de texto se
genera el archivo plc.asm, que es el archivo que se puede
simular en Mplab para determinar su buen
funcionamiento.

Figura 6. Escritorio y editor de texto de
MPLAB.

El programa no se publica completamente en este
artículo por su extensa edición, pero aquí se muestran
algunas ventanas auxiliares del funcionamiento del
PIC.

Figura 7. Ventana auxiliar / Memoria del
programa.

Figura 8. Ventana auxiliar / Hex code
display.

Figura 9. Ventana auxiliar/ Registro de
funciones especiales.

Al finalizar la compilación del programa se
genera el archivo plc.hex "Código fuente" que es el
archivo para volcarlo en el PIC.

El archivo .hex no es un archivo en formato
binario y no refleja directamente el contenido que deberá
tener la memoria de
programa (FLASH o EEPROM) del PIC. Pero los formatos
reflejarán directamente cuando sean transferidos al PIC en
forma de bajo nivel y con algunas instrucciones más.
[3]

Sin entrar en detalles es útil saber que tal
formato es directamente reconocido por el hardware del PIC que
promueve durante la programación la conversión en
binario del código de operación (Código
OP).

3.2 Grabado del PIC

Usualmente se denomina quemado o volcado cuando se
refiere a la transferencia del archivo .hex al PIC, pero
técnicamente se reconoce que es un simple grabado de
memoria.

Ahora se debe contar con un hardware y un nuevo software
necesario para poder transferir el archivo plc.hex al PIC.
En la actualidad se han desarrollado una cantidad de interfases y
hardware muy útiles por cierto, pero cada uno en
dependencia del tipo de microcontrolador.

Para este proyecto se utilizo la interfase Epic
Programmer V.1.41 es un software gratuito que se encuentra en la
web, hay que tener cuidado pues esta interfase solo es funcional
para win 95 /98, en nuestro caso se utilizo una PC con win 98. El
hardware TO-20SE, es un circuito electrónico simple para
el grabado de microcontroladores. Básicamente se busca que
la interfase y el modulo de grabado sean compatibles en su
funcionamiento.

También se puede utilizar el ICPROG que es
funcional para win XP, pero en este caso se recomienda trabajar
con el hardware JDM.

El siguiente paso fue desarrollar el grabador del PIC,
este soporta diferentes microcontroladores de 18 y 8 pines (gama
media y baja). Se hace el montaje con un plano electrónico
de soporte y el resultado es el siguiente;

Figura 10. Hardware. Programador
TO-20SE.

El programador dispone de una conexión hacia
puerto paralelo de la PC, es allí donde radica la
comunicación del Epic y la transferencia del
código .hex al microcontrolador. Para un correcto
funcionamiento se carga primero en la interfase de usuario,
siendo el más conocido y usado el Epic Programmer V.1.41,
ahora desde el botón (open file) se llama el
archivo plc.hex que usualmente se encuentra en la carpeta
de Mplab y este automáticamente se carga en pantalla,
luego se realiza los ajustes de funcionamiento del PIC; perro
guardián, tipo de oscilador, código de
protección, power up, etc.

Figura 11. Escritorio del EPIC.
V.1.41

Cuando las condiciones de funcionamiento se encuentran
establecidas, se inicia el grabado del PIC mediante el
botón (Program), el PIC debe estar en blanco o
borrado para que la acción
del sistema sea confiable.

Ya listo el microcontrolador con el programa cargado, el
paso siguiente es disponerlo en el diseño
electrónico de PLC para el trabajo específico a
desarrollar.

4. DISEÑO
Y FUNCIONAMIENTO DEL PLC

Bajo la programación de un microcontrolador se
realiza el diseño de un PLC, todas las tareas de
excitación de entrada y salida del PIC se acoplan a un
sistema electrónico que permiten enlazar la parte
eléctrica y de potencia que requiere un controlador
lógico programable.

El PLC se compone de una fuente de trabajo interna a
5v/DC, 4 entradas digitales con amplificación de
señal, 4 salidas análogas con amplificación
y relés (Na, Nc), 4 líneas a gnd, integrados con
bucles, oscilador de cristal 4Mhz para PIC 16F84A, algunas
resistencias y
condesandores para brindar seguridad y
funcionamiento.

Para el conexionado de las entradas"actuadores,
pulsadores, sensores, etc.," y salidas "relevos,
electroválvulas, motores,
etc.," del PLC se requiere de una fuente externa de 24V/DC,
pues los elementos como sensores y electroválvulas del
proyecto trabajan con ese nivel de voltaje.

Figura 12. PLC. Estructura
interna.

Figura 13. Conexionado del PLC con
sistema electroneumático.

4.1 Puesta del circuito electroneumático
comandado por el PLC

Teniendo los parámetros de funcionamiento del
sistema electroneumático queda no más realizar el
montaje en un banco
didáctico que permita la representación de la forma
física del
sistema y ponerlo a prueba.

Se coloca cada uno de los accesorios neumáticos y
electroneumáticos en el panel frontal, se pone a prueba el
compresor, unidad de mantenimiento
con regulación efectiva de presión, y
se realiza la conexión eléctrica entre los sensores
de proximidad, electroválvulas y el PLC. Se energiza el
PLC con AC/DC requeridas y se deja pasar el primer paquete que se
simula por un bloque de madera.

El funcionamiento otorga buena confiabilidad a la
creación del PLC, de todas maneras se realizan ajustes de
velocidad en los vástagos de los actuadores
neumáticos

para que el sistema se pueda observar de una forma
más precisa.

Figura 13. Montaje
electroneumático y PLC.

5.
CONCLUSIONES

Las tecnologías integradas (mecánica,
electrónica, sistemas)
permiten desarrollar trabajos específicos de automatización al alcance de todos. El
anterior proyecto solo ha sido probado a nivel de laboratorio y
no industrial.

A pesar que existen comercialmente PLC´S de
diferentes tamaños, modulares, de varias E/S, de comunicación con PC para la
programación o de mando directo desde su mismo panel
frontal, hay que tener en cuenta que los costos y la
diferencia de programación entre fabricantes los hace
aún de difícil adiestramiento a
técnicos o personal que
trabajan con los mismos. La tecnología es muy
cerrada y poco abierta en el mercado colombiano.

Para el diseño del PLC mediante un
microcontrolador, las programaciones más utilizadas
(Kop, Fup, Awl) ya no se tienen en cuenta, ahora
estrictamente depende de las rutinas grabadas en la memoria del
PIC mediante un lenguaje de
computadora.

6.
BIBLIOGRAFÍA

[1]ANGULO, José M. Microcontroladores PIC,
Diseño práctico de aplicaciones. Segunda
edición. McGraw Hill, 1999.

[2]GARCIA, Hugo.
Teoría de programación de autómatas.
Ed. Limusa, 1990.

[3]URUÑUELA, José M. Microprocesadores, Principios y
Aplicaciones. Mc. Graw Hill, 1989.

[4]VICENT, Giró Ll. Circuitos
básicos de ciclos neumáticos y
electroneumáticos. Segunda edición. Marcambo,
1989.

Autor:

Oscar Geovany Gaitán R.

Ingniero Mecánico.

Profesor Catedrático

Universidad de Ibagué