Exercicis: Automatització programada

Explica què és un autòmat programable o PLC, on s'utilitza habitualment i quines tres operacions fa de manera repetida mentre està en marxa (llegir entrades, executar el programa, activar sortides).

Les entrades d'un PLC reben senyals i les sortides governen elements. Classifica aquests elements com a possible entrada o possible sortida d'un autòmat: (a) un polsador de marxa, (b) un motor, (c) un sensor de presència, (d) una electrovàlvula, (e) un final de cursa i (f) un llum de senyalització.

Abans dels PLC, les automatitzacions es feien amb relés cablejats: canviar el procés exigia recablejar l'armari. Explica què va canviar amb l'arribada de l'autòmat programable i quin avantatge suposa «canviar el programa» respecte a «canviar el cablejat».

El PLC treballa repetint el «cicle de scan»: llegir les entrades, executar el programa i actualitzar les sortides. Explica aquest cicle amb les teves paraules i per què es repeteix moltes vegades per segon.

Les entrades d'un PLC poden ser digitals (tot o res) o analògiques (un valor continu). Classifica aquests senyals com a entrada digital o analògica: un polsador de marxa, un sensor de presència, una sonda de temperatura de $0$ a $100\ ^\circ\text{C}$ i un detector de nivell per boia.

Les sortides d'un PLC governen relés o contactors. Explica què és un relé de sortida i per què fa falta entre l'electrònica de l'autòmat i un motor de potència (separar el circuit de comandament del de potència).

Explica què és un final de cursa, on s'instal·la físicament i quina informació dona al PLC. Posa un exemple del seu ús en una porta automàtica de garatge.

Tota automatització documenta la seva llista d'entrades i sortides (quin sensor arriba a cada born i quin actuador surt de cadascun). Explica per què aquesta documentació és imprescindible anys després, quan una altra persona diferent ha de reparar la màquina.

La figura mostra un autòmat que governa una cinta transportadora: dos elements envien senyals a l'equip central i aquest governa dos elements de la cinta, com es mostra a la figura.

Indica quin equip ocupa la posició central, descriu el recorregut dels senyals des del polsador i el sensor fins al motor i el pistó, i explica on resideix la «intel·ligència» del sistema (què decideix i amb quin criteri).

Una barrera d'aparcament funciona així: un sensor magnètic detecta un cotxe, l'autòmat comprova que la barrera està abaixada, activa el motor per pujar-la, espera uns segons que passi el cotxe i la torna a abaixar. Descriu aquesta seqüència com una llista ordenada de passos, assenyalant a cada pas si hi intervé una entrada, una decisió del programa o una sortida.

Una fàbrica canvia de producte dues vegades l'any i amb això canvia l'ordre de les operacions de la seva línia d'envasament. Explica per què amb PLC aquests canvis es fan en hores i amb relés cablejats requerien dies, i quins altres costos (aturada de producció, errors de cablejat, documentació) es redueixen amb l'automatització programada.

El procés d'una embotelladora segueix aquest cronograma: amb l'ampolla detectada ($t = 0\ \text{s}$), la cinta s'atura; als $0{,}5\ \text{s}$ s'obre la vàlvula d'ompliment durant $3\ \text{s}$; als $4\ \text{s}$ la cinta avança de nou. (a) Descriu la seqüència completa en passos ordenats. (b) Calcula quant de temps està aturada l'ampolla sota el broquet. (c) Raona per què la vàlvula no s'obre si no hi ha ampolla detectada (enclavament).

El cronograma de la figura mostra el funcionament d'una barrera automàtica d'aparcament durant deu segons: el senyal superior indica quan la barrera està oberta i l'inferior, quan el sensor detecta un cotxe, com es mostra a la figura.

(a) Indica en quin instant arriba el cotxe. (b) Calcula quants segons roman oberta la barrera. (c) Analitza, a la vista del cronograma, quin risc apareix si el cotxe es queda aturat sota la barrera més temps del previst.

Un enclavament impedeix que la barrera d'un aparcament baixi mentre el cotxe està a sota. Explica què és un enclavament en la programació d'un autòmat, com s'aconsegueix que una sortida depengui d'una condició addicional (el senyal del sensor en sèrie lògica amb l'ordre de baixar) i per què es considera una mesura de seguretat.

Per automatitzar una màquina es pot triar entre relés cablejats, un PLC industrial o un microcontrolador educatiu. Compara tots tres (robustesa en entorn industrial, facilitat per canviar el procés, cost, formació necessària) i raona quin triaries per al taller de l'institut i quin per a una fàbrica d'alimentació.

Per un error lògic, un programa activa alhora les sortides «pujar» i «baixar» d'un motor. Explica què pot passar (curtcircuit o esforç mecànic destructiu), per què a més d'evitar-ho en el programa s'instal·la protecció per maquinari (enclavament elèctric entre els dos contactors) i en què consisteix aquesta protecció.

En una planta d'envasament es requereix automatitzar una cinta transportadora que proveeix dues estacions consecutives separades per una distància fixa: una d'ompliment de líquid i una altra de taponament.

1. a) Un operari proposa programar el PLC perquè una ampolla entri, s'ompli (durada 3,0 s), avanci a la taponadora, es col·loqui el tap (durada 1,5 s) i sigui evacuada abans de deixar entrar la següent. Calcula la producció màxima teòrica (ampolles/hora) si cada desplaçament de la cinta (entrada, entre estacions i evacuació) triga 1,2 s.
2. b) Dissenya el diagrama d'estats (GRAFCET) d'una solució eficient concurrent, on les dues estacions treballin alhora sobre ampolles diferents quan estiguin posicionades.
3. c) Defineix la taula d'entrades/sortides (I/O) del PLC necessària per a aquesta solució concurrent, incloent-hi sensors de posició i un sensor òptic de control de qualitat que impedeixi omplir si l'ampolla arriba bolcada.

En seguretat de màquines amb PLC regeix el principi de «seguretat positiva» (fail-safe): davant de qualsevol fallada d'energia o trencament de cable, el sistema ha d'evolucionar espontàniament a l'estat de menor risc.

1. a) Un instal·lador proposa connectar els polsadors de parada d'emergència com a contactes normalment oberts (NO), de manera que en prémer-los enviïn un «1» lògic a l'entrada del PLC. Justifica tècnicament el greu risc d'aquest plantejament enfront d'una desconnexió accidental del fil conductor.
2. b) Per a cadascun d'aquests tres sistemes, determina l'estat segur davant d'un tall elèctric total i selecciona el tipus d'actuador o mecanisme passiu necessari per garantir-lo sense intervenció de la CPU:

• Porta basculant de garatge de 200 kg.

• Cinta transportadora inclinada que eleva mineral.

• Premsa hidràulica d'estampació de xapa.

1. c) Explica per què la parada d'emergència mai no ha de dependre exclusivament del programa del PLC estàndard i com s'implementa a nivell de maquinari mitjançant relés de seguretat específics.

Una empresa d'injecció de plàstics estudia substituir l'extracció manual de peces per un sistema automatitzat amb manipulador pneumàtic controlat per PLC.

• Inversió inicial de l'equip i instal·lació: 32.000 €.

• Manteniment i consum anual del sistema: 2.400 €/any.

• Dos operaris es tornaven en aquesta feina (cost de 21.000 €/any per operari).

• Amb el PLC, el temps de cicle per peça passa de 14,0 s a 9,5 s i la taxa de peces defectuoses per manipulació baixa del 3,2 % al 0,4 % sobre una producció de 150.000 peces/any (el cost de reprocessar una peça defectuosa és de 0,80 €).

1. a) Calcula l'estalvi econòmic anual net que genera l'automatització i el període de retorn de la inversió (payback en anys).
2. b) A la vista de les dades, analitza la transformació tècnica de l'ocupació a la fàbrica: quines tasques rutinàries desapareixen, quins nous perfils tècnics (programació, manteniment electromecànic) es tornen imprescindibles i quins riscos ergonòmics s'eliminen per al personal.

Dissenya el control mitjançant PLC d'un semàfor amb polsador per a un pas de vianants en una avinguda concorreguda. El sistema ha d'evitar bloquejos i garantir la fluïdesa del trànsit:

• El semàfor de vehicles només es pot posar en vermell si un vianant ha pressionat el polsador, però s'ha de garantir un temps mínim de verd per a vehicles de 25,0 s entre cicles, independentment de quan es premi.

• Si un vianant prem repetides vegades o manté bloquejat el polsador amb un objecte, el sistema no ha d'encuar peticions ni reiniciar temps erròniament.

1. a) Elabora la taula d'assignació d'entrades (indicant el tractament del flanc del polsador), sortides (llums verd, ambre i vermell de cotxes; verd i vermell de vianants) i temporitzadors.
2. b) Dissenya el diagrama d'estats (GRAFCET) complet del cicle, incloent-hi la fase d'advertència en ambre per a cotxes (3,0 s) i el parpelleig verd de vianants previ al tancament (4,0 s).
3. c) Prediu la fallada de seguretat que ocorreria si es fon el llum vermell dels vehicles i proposa una modificació en el disseny (sensor de corrent o realimentació) perquè el PLC passi a mode ambre intermitent d'emergència.

El fre de retenció del motor d'un ascensor és de tipus electromagnètic accionat per molles antagòniques: quan no hi ha corrent a la bobina, unes molles mecàniques pressionen les sabates contra el tambor; per alliberar el fre, la bobina s'ha d'energitzar.

1. a) Justifica per què aquest disseny respon al principi de seguretat positiva en comparació amb un fre que requereixi corrent per collar les sabates, analitzant què passaria davant d'un tret del diferencial o una fallada a la CPU del PLC.
2. b) Dissenya la seqüència d'activació/desactivació del motor i del contactor de fre en iniciar la marxa i en aturar-se en planta: per què no han de commutar exactament al mateix mil·lisegon si es vol evitar que la cabina caigui uns centímetres per gravetat o que el motor treballi frenat?
3. c) Determina com han de reaccionar el mecanisme d'obertura de portes i els actuadors de cabina davant d'una caiguda total de tensió de xarxa, i descriu com s'executa un rescat controlat.

Un reactor químic disposa de sensors digitals de nivell alt per evitar vessaments de substàncies corrosives. S'avaluen dues arquitectures de seguretat en el PLC:

1. a) Amb dos sensors ($S_1$ i $S_2$), formula la taula de veritat i la funció lògica booleana simplificada per a dues sortides diferents: 1) ordre de tall d'entrada de reactiu (activada si almenys un marca nivell alt) i 2) alarma de discrepància per sensor defectuós (activada si només un dels dos marca nivell alt durant més de 3,0 s). Explica per què aquest disseny pot provocar parades falses innecessàries si un sensor falla en curtcircuit.
2. b) Per solucionar el problema anterior, s'implanta un sistema de votació majoritària 2oo3 (dos de tres) amb tres sensors independents ($A$, $B$ i $C$). Obtén la funció lògica booleana simplificada per a l'ordre de parada i justifica com reacciona el sistema davant de la fallada aïllada d'un qualsevol dels tres sensors.
3. c) Si la probabilitat que un sensor falli en fals positiu durant un mes és $p = 0,05$, calcula raonadament la probabilitat que el sistema 2oo3 aturi el reactor per error (almenys dos sensors fallant alhora) enfront d'un sistema simple d'un sol sensor.

En una línia de transport de caixes cap a una paletitzadora, un sensor fotoelèctric detecta el pas de paquets (a raó d'un cada 2,0 a 4,0 s quan la línia anterior produeix amb normalitat).

1. a) Dissenya en llenguatge de contactes (Ladder) o mitjançant diagrama d'estats un temporitzador tipus «watchdog» que aturi la cinta i activi un senyal d'alarma si el sensor no detecta cap caixa durant 25,0 s ininterromputs amb el motor d'arrossegament activat.
2. b) Explica dues causes de naturalesa totalment diferent que poden provocar aquesta condició (una avaria mecànica/operativa i una fallada elèctrica en el llaç del sensor) i dedueix quina prova diagnòstica hauria de realitzar el PLC o l'operari per discernir entre ambdues.
3. c) Justifica l'impacte econòmic, energètic i de seguretat per als operaris que tindria ometre aquest control per temporització i deixar la cinta girant indefinidament en buit.

Dissenya l'automatització completa mitjançant PLC d'una porta corredissa per a un aparcament de vehicles amb les següents condicions operatives:

• Accionament mitjançant motor reversible (senyals: Obrir / Tancar).

• Sensors de final de cursa de porta totalment oberta ($FC_A$) i totalment tancada ($FC_C$).

• Fotocèl·lula d'infrarojos a l'obertura de la porta ($FT$) i polsador d'obertura manual ($P$).

• Temporitzador de pausa amb porta oberta de 12,0 s abans d'iniciar el tancament automàtic.

1. a) Confecciona la taula d'assignació d'entrades i sortides del PLC, raonant per a cada sensor si s'ha de connectar físicament com a Normalment Obert (NO) o Normalment Tancat (NT) en funció de la seguretat davant del trencament de cable.
2. b) Dibuixa el diagrama d'estats (GRAFCET) del sistema, modelant amb precisió el comportament de seguretat: si la fotocèl·lula es talla durant el tancament, la porta s'ha d'aturar immediatament i reobrir-se del tot, reiniciant el compte de 12,0 s.
3. c) Afegeix a la lògica un intermitent d'avís que s'activi 2,0 s abans que la porta comenci a moure's i es mantingui encès durant tot el desplaçament.

Repte del tema. Climatització intel·ligent: del llaç obert al control programat.

1. Recollida de dades: Accedeix al web oficial d'AEMET i extreu la previsió horària de temperatura exterior ($T_e$) del teu municipi per a una jornada de $24\text{ h}$.

2. Disseny conceptual: Planteja el control tèrmic d'una estança fixant una consigna de $21,0\text{ }^\circ\text{C}$. Dibuixa els diagrames de blocs funcionals de dues alternatives: un sistema en llaç obert (temporitzat per trams horaris fixos) i un sistema en llaç tancat (amb sensor de temperatura i realimentació). Identifica-hi el transductor, el comparador, el controlador i l'actuador.

3. Automatització programada: Simula a MakeCode (micro:bit) o Tinkercad l'algorisme de control per al llaç tancat. Programa una histèresi de $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$ respecte a la consigna per evitar commutacions contínues i protegir l'actuador.

4. Proposta tècnica: Elabora un breu informe a LibreOffice comparant el comportament teòric d'ambdós llaços enfront de les fluctuacions reals de temperatura d'AEMET.

Es valorarà:

• Identificació i connexió rigorosa d'elements i senyals en els diagrames de blocs.

• Lògica de programació correcta de l'automatisme amb banda d'histèresi implementada.

• Justificació crítica de l'eficiència energètica i el confort assolits a partir de les dades meteorològiques reals.