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ARTICULOS TECNICOS:

Lenguaje descriptivo: Conceptos en la programación de los PLC

INTRODUCCION
El controlador lógico programable, es el equipamiento mas importante en la automatización de máquinas y procesos industriales en el mundo actual (usaremos la sigla PLC en este artículo). Su campo de aplicación es casi ilimitado y el conocimiento de sus potencialidades se hace cada vez mas necesario a los profesionales de diseño, operación y mantención de procesos industriales.
A pesar del gran desenvolvimiento ocurrido en el hardware de los CLPs, desde su inicio hasta ahora, han surgido muy pocas novedades en el sistema de elaboración de programas y en los lenguajes de programación de los PLC.
En este contexto, el lenguaje descriptivo representa una contribución importante y legítima al mercado de la automatización que hace un fabricante brasileño ( BCM), ya que introduce nuevos conceptos en un área fuertemente marcada por el conservantismo de las grandes empresas norteamericanas.
El objetivo de este trabajo es presentar este lenguaje descriptivo y compararlo con el lenguaje de relés que adopta la mayoría de los fabricantes. Emplearemos un ejemplo práctico para destacar las diferencias entre ambos métodos de programación.
Aún cuando este lenguaje es específico para los PLC fabricados por BCM, la manera de ecuacionar el proceso, similar a un fluxograma, es válida y general, siendo también importante darlo a conocer ante la llegada de máquinas herramientas y otros equipos que utilizan los PLC de esta marca.

DEFINICIÓN Y DESENVOLVIMIENTO DE LOS PLC
Conforme las normas técnicas, la definición de controlador programable es la siguiente:
“Es un dispositivo que; con arquitectura de computadoras, posee una memoria programable por el usuario y realiza funciones de control, comando y supervisión de procesos industriales, con hardware y software compatibles son estas aplicaciones:” los controladores programables fueron criados en la década del 70 para atender las crecientes demandas de automatización de la industria automovilística norteamericana.
Su principal función fue sustituir relés, usados hasta entonces para realizar complejas funciones de secuenciamiento e intertravamiento en máquinas operatrices y equipos industriales de gran tamaño.
Como se ve, los PLC son computadoras proyectados para substituir los antiguos relés, y su introducción en las fábricas fue bastante difícil por la actitud de los técnicos que se resistían a abandonar una tecnología conocida para adoptar otra extraña.
Esta dificultad fue contornada escogiendo como forma de programación el lenguaje de relés lo que fue fundamental para su aceptación y popularización. En los últimos años los PLC acompañaron la fantástica evolución de la tecnología de los computadoras, haciéndose cada vez más económicos, menores, con mayor capacidad de memoria y mayor velocidad de procesamiento. Sin embargo, este avance en la electrónica no tubo un similar en la programación, agregándose solamente nuevas funciones, principalmente la capacidad para cálculos aritméticos, control PID y redes de comunicación, manteniendo la misma filosofía básica de programación: lenguaje de relés.
Los PLC deben evoluir en software, buscando un lenguaje de programación que sea intuitivo y lo más próximo posible al lenguaje natural. Este debe tener las siguientes características mínimas:
- claridad, buena legibilidad y buena documentación.
- debe ser accesible a los no especialistas.
- direccionamiento simbólico.
ser estructurado y modular( dividido en tantos segmentos como sean las subdivisiones del sistema de control).
- estructura multitareas y procesamiento en tiempo real.
- conjunto de instrucciones y rutinas de calculo (PID, etc.).
- recursos para desenvolvimiento y depuración.
- recursos para diseño y diagnósticos del proceso.
EL CONTROLADOR PROGRAMABLE Antes de pasar al lenguaje descriptivo, presentamos una breve relación de los elementos constituyentes de un PLC: Entradas: reciben las señales del proceso y las envían a la CPU. El PLC toma conocimiento de lo que ocurre en el proceso.
CPU: La unidad central de procesamiento, lee las informaciones de las entradas y, obedeciendo al programa almacenado en memoria, actúa sobre el proceso a través de las salidas.
Salidas: ejecutan los comandos enviados por la CPU, actuando sobre los elementos de control de proceso (motores, valvulas, contactores, etc).
Memoria: Es donde queda almacenado el programa de control.






PROGRAMACIÓN DE UN PLC
El primer paso para la automatización de un proceso es conocerlo detalladamente y, luego después, documentarlo utilizando un método inequívoco de descripción de su funcionamiento.
los métodos mas utilizados para esta descripción son el fluxograma universal, o diagrama de tiempos y movimientos o una descripción escrita del funcionamiento del proceso.
Una vez obtenida esa descripción, podemos pasar a la fase de programación, pues ya conocemos el funcionamiento del proceso en sus mínimos detalles.

Vamos a demostrar esos procedimientos utilizando como ejemplo la programación de un taladro automático vertical. El programa será desarrollado en lenguaje de relés y luego en lenguaje descriptivo.
El PLC deberá tener al menos 4 entradas y 4 salidas:
BIN: botón de inicio del proceso
CAA: fin de curso del cabezal atrás
LIV: fin de curso para límite de velocidad
CAF: fin de curso de cabezal al frente
1.: avance rápido
2.: avance lento
3. retroceso del cabezal
4.: rotación
La descripción del funcionamiento es la siguiente:
1) el taladro permanece en reposo con las cuatro salidas desaccionadas hasta que el botón BIN sea presionado.
2) Cuando BIN es presionado, las salidas 1 y 4 deben accionar, haciendo avanzar el cabezal rápidamente y con rotación axial.
3) Cuando el cabezal llega al fin de curso LIV, la salida 1 debe desaccionar y debe conectar 2, pasando a avance lento.
4) Al llegar al fin de curso CAF, debe iniciar una temporización de 5 segundos.
5) Al fin de la temporización, la salida 2 debe ser desconectada y la 3 conectada, provocando el retroceso del cabezal hasta el fin de curso CAA.
6) Al llegar a CAA, las salidas 3 y4 son desconectadas, dejando el taladro nuevamente en la situación de reposo.
El programa en lenguaje de relés
La representación gráfica del programa aparece abajo.





















La lista del programa no da ninguna indicación gráfica de la secuencia programada, que solo podrá ser deducida luego de un cuidadoso análisis del programa.
Durante la elaboración del programa, se deben prever la existencia de relés que aún no fueron definidos, tornando la programación un proceso interactivo del tipo “tentativa- error”.
Para cada línea lógica de conexión de bobinas (RUNG) necesitamos examinar todas las posibilidades de conexión de estas fuera de la secuencia deseada, e impedirlas intercalando contactos de intertravamiento.
El lenguaje de relés exige el intertravamiento de todas las acciones indeseables, caso contrario podemos tener la conexión de salidas fuera de la secuencia lógica deseada, con consecuencias imprevisibles en el proceso controlado.

El programa en lenguaje descriptivo.
El lenguaje descriptivo se forma con dos elementos básicos: los estados y las transiciones.
ESTADO: Es el conjunto de comandos que, cuando activados, provocan acciones que caracterizan una etapa del proceso. La actividad sucesiva de cada estado determina la secuencia del proceso.
TRANSICIÓN: Es la combinación de eventos que condiciona una mudanza de estado, esto es, la transferencia de actividades de un estado a otro.
Los estados son representados gráficamente por rectángulos o elipses, con el número de estado y las acciones a tomar en este. En el ejemplo citado, estamos definiendo que en el estado cero todas las salidas serán desconectadas, dejando el taladro en reposo.
En este ejemplo podemos ver que la secuencia está constituida por 4 etapas:
COS

Los equipos del primer grupo tienen habitualmente una estructura trifásica y equilibrada, mientras que en el caso de filtros activos existen dos categorías:
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL DIAGRAMA DE ESTADOS:
- Un programa siempre se inicia en el estado cero.
- El número de transiciones con origen en cada estado es ilimitado.
La dirección de las transiciones es completamente libre.
Solamente un estado puede ser accionado por vez en un diagrama de estados.
El programa ignora todos los estados y transiciones ya ejecutadas, considerando solamente las transiciones con origen en el estado activo.
El diagrama de estados es la estructura básica del lenguaje descriptivo.

VENTAJAS DEL LENGUAJE DESCRIPTIVO.
Del ejemplo visto extraemos las siguientes conclusiones:
El diagrama de estado es un método muy eficiente para la descripción de procesos, siendo bastante similar al fluxograma universal.
Cualquier programa para control de procesos, tanto digitales como analógicos, puede ser representado por diagramas de estado.
La utilización del diagrama de estados elimina la necesidad de cualquier otro método de descripción de proceso, permitiendo la programación directa en lenguaje descriptivo como mostraremos a continuación.
La elaboración del programa es directa, comenzando por el estado cero y yendo hasta el último estado, sin preocuparse con eventuales interferencias de un estado para otro.

El programa solo considera válidas las transiciones con origen en el estado activo, ignorando el resto. Por esto, no necesitamos preocuparnos con accionamiento de salidas fuera de secuencia.
En el lenguaje descriptivo, las únicas acciones ejecutadas por el PLC están contenidas en los estados y siguen la secuencia determinada por las transiciones, no existiendo la posibilidad de accionamiento de salidas fuera de esas condiciones.

DIAGNOSTICO DE FALLAS DE PROCESO
Con lenguaje de relés:
La determinación de una falla de funcionamiento normalmente comienza por la localización del relé de salida que provocó esta. Después es necesario investigar todos los contactos de la línea lógica de este relé hasta localizar el contacto causador de la falla. Este contacto, la mayor parte de las veces está asociado a otro relé en otra línea lógica.
El proceso debe ser repetido hasta encontrar el contacto verdaderamente responsable por la falla.
Este proceso exige un buen conocimiento del programa y un terminal de programación con vídeo, para permitir la visualización de los contactos de la línea lógica.

Con lenguaje descriptivo:
La falla de un evento impide las transiciones vinculadas a el. Por ejemplo:
Si FC2=1 o PAR=0, la transición del estado 9 al 10 no se realiza. El proceso queda congelado en el estado 9, hasta que las condiciones no cambien.
La localización de la falla consiste en examinar en que estado paró el proceso y verificar cual de los eventos de la transición no ocurrió. Esto puede ser hecho a través de un display que indique el estado actual del proceso, no exigiendo mayores conocimientos del programa.

CODIFICACIÓN DEL PROGRAMA EN LENGUAJE DESCRIPTIVO
Una vez obtenido el diagrama de estados, podemos codificarlo en lenguaje descriptivo propiamente dicho.
La codificación es hecha en un microcomputador IBM PC, utilizando el programa compilador de lenguaje.
El diagrama de estados será descrito siguiendo el dibujo del diagrama. Utilizaremos la misma terminología del fabricante. El programa del taladro queda así:
En castellano los significados de esta terminología son los sgtes.: LIGA= conecta; DESL= desconecta; SE= si; ENTAO= entonces
ESTADO 0: reposo
DESL 1.2.3.
SE BIN=1 ENTAO 1

ESTADO 1: avance rápido
LIGA 1
SE LIV=1 ENTAO 2

ESTADO 2: ;avance lento
DESL 1
LIGA 2
SE CAF=1 ENTAO 3

ESTADO 3: ;temporización
DESL 2
SE ATRASO=10 ENTAO 4
ESTADO 4: ; retroceso
LIGA 3
SE CAA=1 ENTAO 0
Después de la digitación, el programa es compilado en lenguaje de máquina por el microprocesador del microcomputador y grabado en EPROM mediante una interfaz.
Podemos ver que las entradas fueron codificadas con letras y no con números. Esta es la ventaja del direccionamiento simbólico. Podemos nombrar todas las variables, y entradas del programa con mnemónicos convenientes.

PARTICULARIDADES DEL LENGUAJE DESCRIPTIVO
SECUENCIAS ASINCRONAS: cada secuencia asíncrona del proceso es descrita con un diagrama de estados independiente.
Ej.: Un taladro transfer de tres cabezales, necesita al menos de 4 diagramas para los cabezales y uno para la mesa de transferencia.
RUTINAS DE EMERGENCIA: Dentro del diagrama de estados podemos necesitar acciones instantáneas independientes de la secuencia programada. Esos casos son resueltos mediante las TRANSICIONES INDEPENDIENTES DE ESTADO.
Si la entrada EME ( botón de emergencia) es accionada, el estado 0 será inmediatamente activado, no importando el estado activo anterior.
TIPO DE PROCESAMIENTO UTILIZADO: el lenguaje utiliza un algorismo de búsqueda y procesamiento selectivo, donde son procesadas las variables relativas a los estados activos en el instante considerado.
Así, solo una pequeña parte del programa es procesada cada vez, dejando el tiempo de barredura poco dependiente de tamaño del programa.
Rutinas de interrupción: El lenguaje posee recursos para la ejecución de acciones en tiempo real, utilizando, de forma transparente para el usuario, las funciones de interrupción del microprocesador utilizado en el PLC.
Variables: El lenguaje no tiene distinciones aparentes en la representación y trato de las variables numéricas, digitales o análogas.
Cálculos matemáticos: El lenguaje acepta la programación con las 4 operaciones aritméticas. Algorismos PID: rutinas para control de procesos con algorismos proporcional- integrador- derivativo son instrucciones normales de lenguaje.
Interfaces Hombre/máquina: La implementación de estas es hecha de manera transparente para el programador, pues los algorismos de lectura de teclado y llaves BCD o controles de displays y cuadros sinópticos están embutidas en el tratamiento de variables específicas existentes en este lenguaje.
Presentamos un cuadro comparativo de la situación brasileña, donde se comparan el lenguaje de relés con el lenguaje descriptivo extraído de un manual de PLCs BCM.

CONCLUSIONES El lenguaje descriptivo, además de ser un lenguaje de programación de PLC, es también un excelente método para descripción y especificación de procesos. Esta característica significa una gran ventaja en costo y tiempo en las tareas de implantación de PLC en procesos.
La elaboración de la descripción del proceso en el diagrama de estados establece un enlace de comunicación entre el especialista en el proceso y el programador del PLC, permitiendo que en muchos casos el propio especialista haga la programación del PLC.
Una vez en funcionamiento el proceso, el lenguaje descriptivo ofrece grandes ventajas a sus usuarios:
Se pueden hacer con mucha facilidad alteraciones al programa gracias a la estructura modular de este.
El diagnostico de defectos en el proceso es hecho rápidamente a través de un display que indica directamente el estado activo del diagrama de estados, no necesitando de inversiones extra en terminales externos al PLC.
El lenguaje descriptivo está siendo utilizado por miles de usuarios desde 1984 y ha sido unánimemente aclamado como muy superior al lenguaje de relés, que conforme la tabla presentada, es deficiente en varios requisitos del lenguaje ideal.
Creemos que el lenguaje descriptivo representa una evolución conceptual en la tecnología de los PLC, pues se trata de un paso en dirección al lenguaje ideal.

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