1. Introducción.
2. El autómata programable
2.1. Desarrollo histórico
2.2. Aplicaciones
2.3. Estructura del Automata programable
2.3.1. Estructura externa.
2.3.2. Estructura interna.
2.4. Ciclo de funcionamiento
2.5. Técnicas de programación
3. Circuitos lógicos programables
3.1. Estructura básica de un dispositivo lógico programable
3.2. Dispositivos lógicos programables
3.3. Dispositivos lógicos programables complejos
3.4. Matrices de puertas programables
4. Microcontroladores
5. Microprocesadores
5.1. Estructura básica
5.2. Funcionamiento de la CPU
5.3. Vias de comunicación en el microprocesador
5.4 Entradas y salidas
7. Conclusiones
8. Bibliografía
− Introducción a la informática. Ed. McGraw-Hill,
− Como funcionan los ordenadores. Ed. Marcombo.
− Tecnología. Vol. IV. Ed. MAD.
1. INTRODUCCIÓN.
Hoy en día la presencia del control programado en sus diferentes acepciones, autómatas programables, circuitos lógicos programables, microcontroladores o procesador, esta en todos y cada uno de los elementos de nuestra vida. Es por ello que en el currículo de tecnología de la E.S.O ha de incluir al menos un tema, que proporcione al alumnado una visión general de cómo se han desarrollado los distintos tipos de control, cuales son las diferentes opciones y cómo funcionan. El tema lo dividiremos en cuatro grandes grupos: autómatas programables, circuitos lógicos programables, microcontroladores y microprocesadores. Aunque el tiempo de exposición para el tema es limitado intentaremos exponer aquellos conceptos más relevantes que pueden ser más útiles y que pueden aplicar a otras disciplinas.
2. EL AUTÓMATA PROGRAMABLE
Un Autómata Programable Industrial o PLC, es un equipo electrónico programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente industrial, procesos secuenciales.
La aparición de los ordenadores a mediados de los 50’s inauguró el campo de la lógica programada para el control de procesos industriales. No obstante aunque estos ordenadores resolvían los inconvenientes de la lógica cableada, presentaban nuevos problemas como:
• Mala adaptación al entorno industrial.
• Coste elevado de los equipos y,
• Necesidad de personal informático para la realización de los programas y mantenimiento.
Estos problemas se solucionarían con la aparición del autómata programable o PLC.
2.1. DESARROLLO HISTÓRICO
Los orígenes de los autómatas son a mediados de los 60´s cuando General Motors, comenzó a trabajar con Digital en el desarrollo de un sistema de control que evitara los inconvenientes de la lógica programada.
Hacia la primera mitad de los 70´s los autómatas programables incorporan la tecnología de los microcontroladores aumentado sus prestaciones como la comunicación con los ordenadores, incremento de la capacidad de memoria, mejoras en los lenguajes de programación, posibilidad de entradas y salidas analógicas y posibilidad de utilizar redes de comunicaciones.
La década de los 80´s se caracteriza por la incorporación de los microprocesadores consiguiendo: alta velocidad de respuesta, reducción de las dimensiones, gran capacidad de almacenamiento de datos y lenguajes de programación más potentes.
2.2. APLICACIONES
Como ya se ha comentado, las primeras aplicaciones de los autómatas programables se dieron en la industria del automóvil para sustituir a los relés. Sin embargo, la disminución de tamaño y el menor coste han permitido que los autómatas sean utilizados en todos los sectores de la industria. Se mencionan algunos ejemplos de aplicación.
En el Automóvil en cadenas de montaje para cabinas de pintura, etc
En Máquinas herramientas como Tornos, fresadoras, taladradoras, etc. En el Tráfico para la regulación y control del tráfico, ferrocarriles, etc.
En la Domótica para Iluminación, temperatura ambiente, sistemas antirrobo, etc.
2.3. ESTRUCTURA DEL AUTOMATA PROGRAMABLE. CARACTERISTICAS.
En este apartado se describirá la parte física o hardware del autómata, comentando tanto la parte externa como la parte interna. En la externa veremos donde y como se colocan los diferentes elementos que componen el autómata programable. En lo referente a la estructura interna veremos la función que desempeña cada uno de los diferentes elementos como la CPU, el módulo E/S, la fuente de alimentación, etc.
2.3.1. ESTRUCTURA EXTERNA.
El término estructura externa o configuración externa de un autómata se refiere al aspecto físico exterior del mismo, bloques o elementos en que está dividido. Actualmente son tres las estructuras más significativas que existen en el mercado:
1. Estructura compacta donde este tipo de autómatas se distingue por presentar en un solo bloque todos sus elementos, esto es, fuente de alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etc.
2. Estructura semimodular o Estructura Americana que se caracteriza por separar las E/S del resto del autómata, de tal forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o de programa y fuente de alimentación y separadamente las unidades de E/S.
3. Estructura modular o Estructura Europea, donde su característica principal es la de que existe un módulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el autómata como puede ser una fuente de alimentación, CPU, E/S, etc. La sujeción de los mismos se hace por carril DIN o placa perforad, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que lo componen.
2.3.2. ESTRUCTURA INTERNA.
Internamente un autómata programable está formado por diferentes elementos que permiten realizar las funciones básicas para las que ha sido diseñado. Los elementos pueden ser estos 7 siguientes:
– CPU, Fuente de alimentación, Interfaz de comunicaciones, Bus, Sistema E/S, Memoria, Unidad de programación
A continuación detallo cada uno de ellos.
CPU:
La CPU es la parte inteligente del sistema que interpreta las instrucciones del programa de usuario y consulta el estado de las entradas. Dependiendo de dichos estados y del programa, ordena la activación de las salidas deseadas. La CPU está constituida por los siguientes 3 elementos:
1. Procesador que está constituido por el microprocesador, el reloj, generador de onda cuadrada y algún chip auxiliar. El micropocesador es un circuito integrado que realiza una gran cantidad de operaciones, que podemos agrupar en: operaciones de tipo lógico, aritmético y de control de la transferencia de la información dentro del autómata.
2. Memoria monitor del sistema: Es una memoria de tipo ROM, y además del sistema operativo contienen entre otras, las siguientes rutinas incluidas por el fabricante: inicialización tras puesta en tensión o reset, rutinas de test y de respuesta a error de funcionamiento, lectura y escritura en las interfaces de E/S
3. Circuitos auxiliares asociados.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. La fuente de alimentación puede incorporar una batería tampón para el fallo de la alimentación o si se apaga el autómata.
INTERFAZ DE COMUNICACIONES
La interfaz de comunicaciones facilita la comunicación del autómata con el exterior, realizando básicamente dos funciones:
1. Comunicación con las unidades de programación
2. Comunicación de autómatas entre sí formando redes de comunicaciones.
BUS:
El Bus es el elemento que permite la comunicación entre los diferentes componentes del sistema. En función de la información que transmite el bus podemos diferenciar entre el bus de datos, de direcciones y de control:
• Bus de datos: permite intercambiar datos de información entre la CPU y el área de memoria. Esta información puede ser instrucciones o datos.
• Bus de direcciones: permite seleccionar la posición de la memoria del dato que la CPU necesita leer o escribir.
• Bus de control: La CPU puede gestionar y controlar todo el sistema mediante la información que transmite a través de las líneas de este bus.
SISTEMAS DE E/S
Permiten la comunicación con los captadores en el caso de las entradas y la activación de los actuadores en el caso de las salidas.
Las funciones principales son las de adaptar las señales de tensión o intensidad emitidas por los captadores y actuadores a las permitidas por la CPU. Tenemos las entradas y salidas.
• Las Entradas: se identifican fácilmente, ya que se caracterizan físicamente por sus bornes para acoplar los dispositivos de entrada o captadores y se indica con INPUT o ENTRADA. Están numeradas y provistas de una indicación luminosa o LED. Los módulos de entrada pueden ser analógicos o digitales. Los analógicos convierten las señales recibidas en su correspondiente código binario mediante un convertidor analógico-digital. Los módulos digitales son los más usados.
• Las Salidas: permiten actuar sobre los actuadores en función de las condiciones de entrada. Se identifican con la indicación OUPUT o SALIDA y están provistos de indicación luminosa. Se pueden dar tres tipos de salida: a relé, a triac o a transistor. Las dos primeras se utilizan par controlar los actuadores de CA y la última para controlar los de CC. Las salidas pueden ser analógicas o digitales.
MEMORIA
Los autómatas disponen de una memoria formada por zonas específicas.
Las principales áreas de memoria de un PLC son 3:
1. Memoria de programa: permite almacenar el programa de usuario. Generalmente es una memoria de tipo EEPROM, de forma que una vez almacenado el programa no es necesaria la alimentación.
2. Memoria de datos: permite almacenar los datos temporales producto de la ejecución del programa. La memoria de esta
área de datos generalmente es de tipo RAM.
3. Memoria de sistema: también denominada firmware, almacena el programa que monitoriza todo el sistema.
UNIDAD DE PROGRAMACIÓN
La misión principal de los equipos de programación, es la de servir de interfaz entre el operador y el autómata para introducir en la
memoria de usuario el programa con las instrucciones que definen las secuencias de control. Básicamente existen tres tipos de equipos de programación:
• Unidades de programación integradas en el propio autómata.
• Terminales de mando o consolas y
• Ordenador personal con el software apropiado, basados en el entorno windows.
2.4. CICLO DE FUNCIONAMIENTO
Cuando se pone en marcha el PLC se realizan una serie de comprobaciones que son el funcionamiento de las memorias, comunicaciones internas y externas, elementos de E/S y tensiones correctas de la fuente de alimentación.
Una vez efectuadas estas comprobaciones y si son correctas, la CPU inicia la ejecución del programa si está en modo RUN
marcha.
Al producirse el paso al modo STOP o si se interrumpe la tensión de alimentación durante un tiempo lo suficientemente largo, la
CPU realiza las siguientes acciones: Detiene la ejecución del programa y pone a cero todas las salidas.
2.5. TÉCNICAS DE PROGRAMACIÓN
Para programar el PLC se utilizan una serie de lenguajes de programación específicos. Para ello se construyen previamente los ordinagramas que definen toda la secuencia de operaciones que debe controlar el sistema.
Los lenguajes varían según el fabricante, pero los principales lenguajes que apenas varían son los diagramas lógicos, esquemas de contactos y lista de instrucciones.
La programación mediante diagramas lógicos se representa mediante puertas lógicas AND, OR, NOR, etc. La programación mediante los esquemas de contactos se asemejan a los esquemas eléctricos.
La lista de instrucciones o mnemotécnicas es parecida al lenguaje ensamblador.
3. CIRCUITOS LÓGICOS PROGRAMABLES
La lógica programable es una familia de componentes que contienen conjuntos de elementos lógicos (AND, OR, NOT, FLIP-FLOP)
que pueden configurarse en cualquier función lógica que el usuario desee y que el componente soporte. Hay varias clases de dispositivos lógicos programables: ASIC`s, PROM´s, PAL`s, GAL´s, PLA´s, etc.
3.1. ESTRUCTURA BÁSICA DE UN DISPOSITIVO LÓGICO PROGRAMABLE
Un dispositivo programable por el usuario es aquel que contiene una arquitectura general pre-definida en la que el usuario puede programar el diseño final del dispositivo empleando un conjunto de herramientas de desarrollo. Las arquitecturas generales pueden variar pero normalmente consisten en una o más matrices de puertas AND y OR para implementar funciones lógicas.
3.2. DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES
Desarrollo los siguientes
• ASIC: las siglas ASIC significan Circuitos Integrados de Aplicación Específica y son dispositivos definibles por el usuario. Los ASICs, pueden contener funciones analógicas, digitales, y combinaciones de ambas. En general, son programables mediante máscara y no programables por el usuario.
• PROM: Las PROM son memorias programables de sólo lectura. La arquitectura de la mayoría de las PROM consiste generalmente en un número fijo de términos AND que alimenta una matriz programable OR.
• PAL: Los primeros dispositivos que aparecieron, fueron los denominados PAL. Se componen de una red de puertas AND y OR
interconectadas a través de fusibles. Según los fusibles que se fundan, quedará una función a la salida u otra.
• GAL: Estos dispositivos se caracterizan por contener los términos AND programables y los OR fijos.
• PLA: Las PLA son matrices lógicas programables. Estos dispositivos contienen ambos términos AND y OR programables lo que permite a cualquier término AND alimentar cualquier término OR.
3.3. DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES COMPLEJOS
Los PLD`s complejos son Dispositivos Complejos de Lógica Programable. Se consideran PAL muy grandes que tienen algunas características de las PLA. La arquitectura básica es muy parecida a la PAL con la capacidad para aumentar la cantidad de
términos AND para cualquier término OR fijo.
3.4. MATRICES DE PUERTAS PROGRAMABLES
Las FPGA son Campos de Matrices de Puertas Programables. Simplemente son matrices de puertas eléctricamente programables que contienen múltiples niveles de lógica. Las FPGA se caracterizan por altas densidades de puerta, alto rendimiento, un número grande de entradas y salidas definibles por el usuario, un esquema de interconexión flexible, y un entorno de diseño similar al de matriz de puertas. No están limitadas a la típica matriz AND-OR. Por contra, contienen una matriz interna configurable de relojes lógicos y un anillo de circunvalación de bloques de e/s.
4. MICROCONTROLADORES
Los microcontroladores están presentes en nuestra vida diaria: hornos, teclados, ratones, televisiones, automóviles y un largo etcétera. Un controlador es un dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos.
Un microcontrolador está compuesto por los siguientes elementos:
• Unidad de control de proceso, Memoria RAM para contener los datos, Memoria para el programa, Líneas de entrada y salida, Diversos módulos para controlar las salidas y entradas.
Algunas ventajas de usar un microcontrolador son: Aumento de las prestaciones, flexibilidad, aumento de la fiabilidad.
5. MICROPROCESADORES
Con la máquina programada, se empleará una estructura principal, común a todas las aplicaciones, capaz de realizar operaciones básicas, las cuales debían ordenarse mediante un conjunto de instrucciones que componen un programa específico para cada aplicación.
La principal diferencia entre las diferentes máquinas programas radica esencialmente en el programa de instrucciones que deben ejecutar. El microprocesador o CPU es el componente principal de todos los que constituyen un sistema digital programable. La CPU realiza operaciones lógicas, aritméticas y funciones de control.
Técnicamente se aplica la denominación de microprocesador a un simple circuito integrado que contiene los elementos que constituyen la unidad central de proceso. El microprocesador por sí solo no es funcional y necesita la colaboración de la memoria, (donde están almacenados las instrucciones a ejecutar y los datos para realizar las operaciones), los módulos de entrada y salida (que la comunican con el mundo exterior). Todos ellos conforman una microcomputadora.
Las Diferencias entre el microcontrolador y el microprocesador es que un microprocesador ha de ser lo suficientemente genérico para poder ser aplicable a un número elevado de aplicaciones como control, cálculo, ofimática, diseño. Por lo tanto los microcontroladores están adaptados a tareas específicas de control mientras que los microprocesadores son muchos más genéricos en cuanto su aplicación.
5.1. ESTRUCTURA BÁSICA
Un microprocesador posee dos zonas fundamentales: la de proceso y la zona de control. Cada microprocesador necesita comunicarse con el mundo exterior mediante los módulos de entrada y salida (E/S). Por lo tanto los módulos de E/S sirven de interfaz entre los periféricos y la CPU.
Básicamente la CPU está compuesta por la Unidad de Control, un conjunto de registros y la unidad aritmético lógica.
• Unidad de control: Es un bloque de lógica cableada que tiene por misión controlar y sincronizar las transferencias de datos y las operaciones que se realizan con ellos.
• Registros: que pueden ser generales, que se usan para almacenar resultados de operaciones internas y específicos como, Contador de programa,Registro de instrucciones, Registro de direcciones, Registro de memoria,Acumulador.
• Unidad aritmético lógica: Es un circuito combinacional capaz de realizar operaciones aritméticas (suma, resta,
multiplicación, división) y lógicas (AND, OR, XOR, NOT). Necesita uno o más registro de entrada y como salidas un registro de estatus
5.2. FUNCIONAMIENTO DE LA CPU
De forma resumida el ciclo de trabajo de la CPU se da en 5 pasos:
1. El contador de programa nos proporciona la dirección de memoria donde está almacenada la siguiente instrucción a ejecutar. Por lo tanto la ponemos en el buffer de salida que está conectado al bus de direcciones.
2. Una vez la dirección esta en el bus de direcciones, accedemos a la memoria y ésta proporcionará la instrucción colocándola en el bus de datos (de igual manera se pueden obtener los datos sobre los que la CPU realizará operaciones).
3. Si es una instrucción lo que viene por el registro de instrucciones ésta se almacenará en el registro de instrucciones y una vez allí se decodificará. Si fuera un dato lo almacenaríamos en unos de los registros auxiliares, para después usarlo como operando.
4. La unidad de control, con la información del sistema y la instrucción decodificada manda las órdenes pertinentes al resto del sistema de tal forma que se ejecute el programa/aplicación. Acto seguido actualiza el contador de programa en una unidad o más (en caso de que haya una ruptura de la ejecución secuencial del programa como por ejemplo: saltos, ejecución condicional, etc).
5. Se vuelve al paso 1.
5.3. VIAS DE COMUNICACIÓN EN EL MICROPROCESADOR
Existen tres vías de comunicación dentro del microprocesador: Bus de direcciones, bus de datos y bus de control:
– Bus de direcciones: Por él se selecciona la posición de memoria o el dispositivo al que se va a escribir o leer los datos. El número de líneas que lo componen determina el rango de memoria que podemos acceder.
– Bus de datos: Conjunto de líneas por donde se transmiten los datos. Por lo general a los microprocesadores se les divide por el ancho del bus. Por lo general aquellos que tienen 8 o 16 bits se reservan para procesos industriales. Los procesadores de sobremesa tienen 32 o 64 bits.
– Bus de control: Utilizado para controlar otros módulos y periféricos en el sistema.
5.4 ENTRADAS Y SALIDAS
Existen tres procedimientos para introducir o transmitir datos hacia o desde el microprocesador:
a) Mediante software: Se consultan los periféricos, para detectar si quieren enviar datos a la CPU. Al realizarse el control por software no es posible atender a los periféricos en tiempo real, sino en determinados momentos pre-definidos por software (sistema síncrono).
b) Acceso directo a memoria: Se hace mediante un dispositivo auxiliar llamado DMA. Cuando un dispositivo periférico quiere realizar operaciones de Entrada-Salida, se lo indica al DMA, y éste detiene la CPU.
c) Mediante interrupciones: Los periféricos provocan una interrupción a la CPU para reclamar su atención. Las interrupciones tienen carácter prioritario, según la importancia del periférico.
7. CONCLUSIONES
En este tema se han tratado los dispositivos de control programado de una manera introductoria, tratando de no profundizar pero afianzando términos más básicos. A lo largo de la presentación hemos hecho hincapié en conceptos que creemos básicos que el alumno ha de comprender tales como CPU, memoria, microcontrolador, microprocesador y su funcionamiento básico. Muchos de los ordenadores/computadores de hoy en día funcionan bajo los mismos principios presentados en este tema aunque usando técnicas más avanzadas. Por lo tanto la inclusión de este tema es fundamental en el currículo de tecnología. Se podría haber visto los autómatas programables como los temporizadores y los contadores, pero se tratan en un tema específico.