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Visita guiada a los controladores

01/12/2005

Un autómata programable es un dispositivo que se encarga de gestionar una o varias máquinas según unas operaciones lógicas que dependen de los estímulos o los datos recibidos de otros dispositivos o máquinas. En el caso de los almacenes automáticos, estos aparatos se ocupan de interpretar las señales provenientes de los sensores –como, por ejemplo, los telémetros que detectan si un transelevador se ha movido y cuánto– así como de transmitir a las máquinas órdenes en función de las instrucciones que se le han proporcionado previamente –seguir moviendo el transelevador, pararlo...–.Existe una discusión entre los técnicos acerca de si se puede considerar a un controlador un autómata programable o si es sólo una parte de él.

“A efectos del uso que hacemos en un almacén automático, no tiene sentido entrar en esa discusión”, aclara Montse Cañedo, responsable deI+D de Control de Mecalux.Los autómatas realizan el movimiento de las máquinas del almacén; recogen información de todos los sensores y dispositivos que se coloquen en campo: ejecutan una serie de operaciones programadas con anterioridad y, dependiendo del resultado, toman una decisión u otra.

Por ejemplo, si una fotocélula no obtiene un estímulo (un reflejo), y no transmite una señal al controlador, como a este dispositivo se le ha indicado que mientras no reciba esa señal no puede mover la cuna del transelevador para dejar la paleta, no emitirá una orden para efectuar ese movimiento.Así se evita que un transelevador mal colocado descargue una paleta en un lugar de la estantería que no está habilitado para alojarla, pongamos por caso.

 

Cálculo previo

Un circuito habitual de un controlador podría ser la lectura de una señal, la toma de una decisión en función de la misma y la activación del movimiento que corresponda en respuesta al resultado obtenido en el cálculo previo. Una vez terminado ese ciclo, comienza otro y después otro y otro, de manera constante y en cuestión de milisegundos, hasta que se cumple una condición. Por ejemplo, un detector de peso se activa al poner una paleta sobre un punto de entrada; como el controlador está escuchando (pregunta ciclo tras ciclo), interpretará esa nueva condición y procederá a enviar la orden programada para esa circunstancia: digamos accionar el transportador para que se mueva un número de metros determinado.

La comunicación entre los elementos de campo –una máquina o un sensor– y los controladores se lleva a cabo a través de lo que se denomina un bus de campo. Se trata de una red de área local (LAN), similar a la de una red informática, aunque con algunas diferencias importantes que la hacen idónea para su uso en entornos industriales (como el refuerzo físico que tiene contra interferencias o la capacidad de los protocolos empleados para efectuar las comunicaciones en milisegundos). Básicamente, consiste en una red de cableado que conecta todos los sensores con los controladores y éstos, a su vez, con otros componentes como son los actuadores, encargados de transmitir los movimientos físicos a las máquinas del almacén.

 

¿PLC o PC?

Esos controladores son los centros neurálgicos en donde o bien se toman decisiones acerca del movimiento de las máquinas o bien se envían y se reciben datos y órdenes de otros controladores que están en un nivel superior. Los sistemas de control habituales en los almacenes se pueden dividir en dos tipos: los denominados PLC convencionales y aquellos en los que se realiza mediante un ordenador (un PC).

PLC son las siglas inglesas de Programable Logic Controller, es decir,controlador de lógica programable.La razón de este nombre radica en que se trata de dispositivos a los que se les da una serie de instrucciones que, dependiendo de unas determinadas variables, reciben y envían distintas señales eléctricas a otros dispositivos y máquinas. El uso de estos dispositivos convencionales está, en general, en retroceso ya que “ahora se tiende más que antes a emplear ordenadores (PC) para efectuar el control”, reflexiona Montse Cañedo, experta de Mecalux.

Las entradas y salidas de las señales del bus de campo se realizan mediante tarjetas especiales acopladas a estos ordenadores.El tipo de controladores que se hacen servir hoy mayoritariamente, los PC, funcionan igual que los PLC desde el punto de vista práctico: reciben, procesan y envían señales para saber cómo están los elementos en el almacén y, en consecuencia, moverlos. Su ventaja principal es que el sistema empleado en ellos está totalmente orientado a la aplicación que se requiera (en este caso, todo lo relativo a operaciones de elementos del almacén automático).

Tanto el PLC convencional como el PC se pueden usar indistintamente, hasta el punto que con la última versión del software de control que se utiliza en Mecalux, Galileo, es posible incluso combinar unos y otros sistemas, con un mecanismo de gestión por encima de ellos.

 

Redes de comunicación

El controlador sólo es una parte–aunque importante y compleja– del sistema de gestión de las máquinas y sensores del almacén. Una estructura básica de un sistema de control habitual consta de un captador –un sensor, un pulsador, etc.–, que se conecta mediante un cable eléctrico a un módulo o tarjeta cuya función es traducir las señales eléctricas en digitales.

Así, una fotocélula, por ejemplo, tiene en su interior un interruptor que envía un impulso eléctrico cuando se cierra (en el momento en el que el sensor recibe un estímulo óptico en este caso). Ese impulso eléctrico se debe transformar a su vez en un dato numérico,es decir, un cambio de estado que pueda ser transportado por un cable de datos hasta el controlador que se encarga de leer la señal y actuar en consecuencia.

Al módulo que transforma la señal eléctrica en otra digital se le denomina tarjeta de entrada/salida (E/S). A las tarjetas de E/S (que técnicamente son acopladores de bus de campo),se les llama asimismo nodos, una denominación en la que también se incluyen otros elementos que se conectan al bus de campo, como las fotocélulas de comunicación y los escáneres, por ejemplo.

Pueden estar integradas o no en el propio controlador (el PLC o un PC). Las cabeceras de periferia distribuida, de las que forman parte las tarjetas E/S, facilitan la organización de la red que conecta el bus de campo. Estos aparatos tienen una serie de entradas y salidas a las que se conectan mediante cables eléctricos los captadores y actuadores (u otros elementos que activen el funcionamiento de las máquinas).

 

‘Bus’ de campo

Estos nodos concentran en un único aparato las señales de varios elementos de campo por una parte y, por otra, tan sólo una conexión con el bus. Están conectados a un bus de campo común que llega hasta el controlador. De esa manera, si por ejemplo se cuenta con 127 elementos (que es el número máximo que admite Profibus-DP, el tipo de bus de campo más usual en los almacenes automáticos), en lugar de conectar cada uno con el controlador –lo que supondría desplegar 127 cables–, se usa uno solo principal que irá recorriendo varios nodos con tarjetas E/S.

Las cabeceras se denominan nodos esclavos o slaves, mientras que al controlador al que llega el cable de bus que recorre todos los esclavos se le llama nodo maestro o master. Los nodos se enlazan a la red por medio de un conector especial que tiene una entrada y una salida. Reciben y dan conexión a otros elementos de la red (otro nodo, un PC o un PLC).

Dado que los nodos están conectados de uno a otro en paralelo, los datos de control pasan transportados por el cable del bus de campo a través de todos ellos. El protocolo de comunicaciones empleado incluye información relativa a cuál es la posición (el nodo concreto) al que se dirige la información, de forma que aquellos nodos que no sean los destinatarios dejan pasar la información hasta que llega al punto indicado.

En el caso de que los nodos estén muy lejos unos de otros es posible utilizar repetidores entre ellos, así la señal de datos se reconstruye y se reenvía para que siga su camino, reforzándose la comunicación al pasar por estos aparatos. La modularidad de esta solución ahorra costes (que se disparan si el controlador y los elementos de campo están muy lejos) y simplifica el despliegue y el mantenimiento de la red industrial

 

Innovación

El ahorro de costes no viene sólo por la propia modularidad del sistema elegido, sino que también tiene mucho que ver con los modos de trabajo que se están desarrollando a la hora de implementarlo. “El mayor esfuerzo en I+D de Control lo estamos invirtiendo en mejorar la estandarización para acortar los tiempos de puesta en marcha y en depurar el control en todas las máquinas para que resulten cada vez más seguras y versátiles”,reflexiona Montse Cañedo.

Cañedo señala, igualmente, otras cuestiones en las que se está trabajando,c omo es la documentación sobre las instalaciones, que ayuda a los técnicos a que efectúen mejor las tareas de mantenimiento y puedan llevar a cabo modificaciones en la programación de control en el caso de que se introduzcan mejoras mecánicas o eléctricas más adelante.

Finalmente, otro punto en el que se está ahondando también es la puesta en marcha de nuevos prototipos de máquinas, así como en la implementación de innovadores dispositivos hardware que se van añadiendo poco a poco a éstas.En definitiva, las innovaciones en el área de control se sitúan en la línea que está marcando el inmediato futuro de los almacenes automatizados:estandarización, rapidez en la puesta en marcha, modularidad y una sorprendente capacidad de adaptacióna los cambios a posteriori que sea necesarioponer en práctica.

 

A LA ÚLTIMA, SIN CABLES

En un momento en el que las comunicaciones de los sistemas informáticos con los elementos de lectura y escritura del almacén–como por ejemplo las pistolas lectoras de códigos de barras– se efectúa en la mayoría de las ocasiones de modo inalámbrico, surge la pregunta lógica de si la radiofrecuencia ha llegado a la tecnología empleada en el ámbito de los controladores.

La respuesta es que sí, pero aún hay limitaciones que no siempre son del agrado de los ingenieros que diseñan el centro de almacenaje o del cliente que la adquiere. En concreto, “la mayor traba con la que se encuentra un sistema inalámbrico es la posibilidad de que se produzcan lo que se llaman zonas de sombra, es decir, lugares o circunstancias que provoquen la pérdida de comunicación entre dos elementos”,explica Marcos Pereira, ingeniero electrónico de Mecalux.

 

Siempre comunicados

Mientras que en algunos entornos informáticos puede ser admisible perder la comunicación momentáneamente, en el caso de las máquinas y sensores implicados en una planta industrial tal circunstancia no se tolera en absoluto (de hecho, ni siquiera es admisible no saber con seguridad cuál es exactamente el tiempo de respuesta entre elementos), así que o bien se sabe con certeza que no se producirá una sombra o bienes mejor no usar una solución inalámbrica basada en radiofrecuencia. No obstante, en el entorno del almacén automático, se ha aplicado esta tecnología para algunas situaciones específicas, como en el caso de los transelevadores con cambio de pasillo.

Dado que estos elementos se comunican con el control central mediante una fotocélula, la solución típica ha consistido en montar dos de estos componentes: uno en posición habitual (enfrentado al pasillo que recorre las estanterías) y otro perpendicularmente, orientado hacia el pasillo trasero por el que los transelevadores cambian de línea de recogida.“La ventaja de la radiofrecuencia en este caso particular es que en el giro del transelevador al encarar un pasillo no se produce una zona de sombra como ocurre con las fotocélulas”, concluye Marcos Pereira.

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LO MEJOR DE DOS MUNDOS

El inmediato futuro del control en los almacenes tiene un nombre: Profinet. Desarrollado por Profibus International, es une stándar abierto y no propietario de Ethernet Industrial. Aún a las cualidades de un bus de campo, como Profibus-DP, y la versatilidad y capacidad de comunicación de las redes informáticas que utilizan Ethernet.

Así, el protocolo cumple con las exigencias del trabajo en el entorno industrial (robustez, isocronismo, determinismo, etc.), a la vez que aprovecha las posibilidades de la comunicación TCP/IP. Profinet es compatible con multitud debuses de campo, por lo que no resulta necesario cambiar aquellos cableados y componentes que estén ya en funcionamiento usando dichas tecnologías. Gracias a los chips de comunicación actuales y a las altas velocidades de 100 MB/sy 1 GB/s alcanzadas en las redes Ethernet es posible gestion araplicaciones con tiempos de respuesta de menos de 1 ms( milisegundo), esenciales para las tareas de control en los entornos industriales y, a la vez, enviar y recibir mucha más información, lo que en términos prácticos supone una comunicación más eficaz, más potente y, en definitiva, una red más inteligente.

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LA BATUTA DE GALILEO

Para el control de los centros automatizados se puede utilizar un software que facilita la programación lógica de todos los elementos implicados. Es el caso de, por ejemplo, Galileo Control System. Esta aplicación es un completo paquete de control de los componentes automáticos del almacén que integra Designer, una interfaz gráfica con la que se hace más sencilla la programación; y Soft PLC, que gestiona las entradas y salidas de información (o lo que es lo mismo,lee, decide y ejecuta). Un tercer módulo es Status Monitor, que es el sistema de visualización que los operarios pueden usar para comprobar el estado.y la situación de la instalación así como para interactuar con ella en las labores de mantenimiento y de resolución de problemas.

 

Juntar el puzzle

Designer es una herramienta muy visual. Su interfaz gráfica presenta una hipotética planta del almacén y sobre ella es fácil colocar e interconectar las máquinas y elementos necesarios, como si de piezas de un puzzle se tratara. Mediante grafos y etapas los ingenieros pueden establecer la estructura del comportamiento de las máquinas, sensores y otros componentes. Es posible maneja una base de datos de los diferentes elementos que se emplean en la instalación (distintos modelos de mesas, de gálibos, de transportadores...).

También se programan otras nuevas piezas mediante un lenguaje orientado a objetos con un alto nivel de abstracción, lo que facilita que una vez concebidos se usen en cualquier diseño de otras instalaciones. Soft PLC, por su parte, es el módulo que se ocupa de efectuar las operaciones lógicas que se han programado con Designer y es el equivalente al software de operaciones que utiliza un PLC convencional.

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MÁS VISUAL Y EN LA MANO

Una de las ventajas de un sistema de control por software basado en PC –como es el caso de Galileo Control System– es que plantea herramientas visuales para ordenar y mejorar el modo en el que se programan los autómatas. Sus ventajas no se limitan a la programación de los sistemas de control, sino que se extienden a sugestión y mantenimiento. La última innovación en este sentido es la posibilidad de conectar por radiofrecuencia los controladores a dispositivos de mano, tales como una PDA, por ejemplo, y mediante una interfaz gráfica de usuario comprobar el estado de los mismos, así como su programación.La comodidad y la agilidad que confiere una solución de estas características hace posible detectar más rápidamente las incidencias que se puedan producir, así como mejorar los elementos de control.