Consejos para programar secuencias (4)

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  • El proceso no siempre avanza hacia adelante
    La serie no estaría completa sin mencionar el que a mi juicio es el más importante de los consejos. Emparenta con los primeros de la lista, aunque es más genérico. Y como en otros casos, nace de un problema común derivado de una mala concepción de los procesos. Tendemos a plantear el funcionamiento de las instalaciones en condiciones ideales, sin imperfecciones, sin fallas de equipos, en plena producción y sin cambios de condiciones que hagan rechazar los objetivos y reorientar las tareas. Esta visión idílica no se corresponde en absoluto con la realidad. En el día a día saltan los diferenciales, las válvulas fugan, se rompen los transmisores de señal, los finales de carrera se ensucian, hay cortes de tensión… Pero también la producción sale mal y es necesario anularla, o repetir una acción, o se ha agotado una materia prima y hace falta detener todo y reponerla. Incluso más grave, puede ser necesaria una parada de emergencia en caso de accidente. Y justo aquí es donde se distingue un buen técnico o ingeniero de uno mediocre. Una buena programación contempla todas las posibilidades, todos los saltos, y no sólo aquéllos que se definen para la consecución ideal de la secuencia.
    Sin ánimo de ser exhaustivo, quiero anotar los aspectos que considero necesario estudiar:

    • Como he mencionado, los equipos terminan por fallar, más pronto o más tarde. Para cada uno de los pasos habría que plantear el flujo de la secuencia ante fallo de cualquiera de los equipos involucrados. Es una tarea tediosa, pero obligatoria. Una solución que he planteado en el pasado ha sido distinguir entre equipos críticos y no críticos, siempre dentro de un contexto. Con críticos, me refiero a que su fallo puede ocasionar un percance. Tal puede ser, por ejemplo, un caudalímetro del que depende un lazo PID. Ante fallo de un elemento crítico se programa una salida ordenada de la secuencia. Si, en cambio, ésta puede mantenerse detenida en dicho paso a pesar del problema, prefiero dejar la decisión en manos del operario.
    • Ya que estamos, ¿qué libertad tiene el operario? Como mínimo debería poder detener la secuencia en todo instante y en condiciones seguras. Algunos sistemas usan bloques que permiten pausar, avanzar pasos, retroceder o efectuar saltos. Esto, dejado a la ligera, es potencialmente peligroso. Cada posible camino que se permita debería ir acompañado de un estudio de las consecuencias y acciones para evitar accidentes. Tampoco se puede atar de manos al personal de operación. En procesos por lotes, por ejemplo, es frecuente la necesidad de repetir un paso o un conjunto. Supongamos una reacción química que por las circunstancias (temperatura ambiente, calidad de los reactivos) no ha podido completarse. En este caso, como los puntos de chequeo suelen estar bien definidos, se puede incluir la posibilidad de retroceder en la propia secuencia. En otras circunstancias no es posible dar saltos atrás en el proceso, y la única alternativa es detenerlo. Si es así, lo ideal es habilitar dos tipos de parada: una de emergencia y otra ordenada (que puede coincidir con la descrita en el punto previo). Pausas y avances bien definidos serían un plus del desarrollo.
    • Un error simple, pero habitual: si de una secuencia dependen subsecuencias, hay que estudiar las evoluciones conjuntas. Es decir, hay que ver cómo se comportan las subsecuencias si se interrumple la principal, o si se avanza saltándose sus inicios. También merece consideración el sentido opuesto: qué hay que hacer con la secuencia principal si falla una de las hijas.
    • Cuando los equipos admiten más de una forma de control (manual/automático, local/remoto, interno/externo), nos enfrentamos a una complejidad añadida, ya que en cualquier momento un agente ajeno a la secuencia puede tomar el mando de algún equipo y operarlo de forma no prevista. Por supuesto, también la secuencia debería adaptarse a esta acción a priori no contemplada. Inicialmente puede parecer un obstáculo difícil de salvar, pero si se han seguido correctamente los pasos previos, en realidad el trabajo estaría hecho. No hay diferencia entre un equipo que no arranca por un fallo, por ejemplo, o porque el operador lo haya inhabilitado. Tampoco entre una condición que se satisface por las operaciones definidas en la secuencia o por causas ajenas.

Estas son mis recomendaciones para quienes se inicien en la programación de secuencias. En definitiva, se puede resumir lo más importante de su contenido en una regla de oro: programar a la defensiva. Es la única forma de obtener un resultado de calidad capaz de afrontar los contratiempos.

Consejos para programar secuencias (3)

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  • El lenguaje no es barrera
    Los PLC de gama baja no suelen contar con un entorno de desarrollo en SFC. Esto no debe ser un obstáculo para programar una secuencia. Veamos cómo se hace. Para ello nos vamos a basar en la siguiente secuencia. En ella, después del primer paso, se pueden seguir dos caminos alternativos: o bien se continúa por los pasos 2 y 3, o bien se lanzan dos procesos paralelos (las subsecuencias 4-5 y 6-7). En todo caso, se termina siempre en el paso 8.
    no-hay-barrera-1
    Si los puristas me perdonan, una secuencia es lo que en informática se denomina una máquina de estados o un autómata finito. Cada uno de los estados (pasos) puede representarse por un bit, que estará activo o desactivado. En la situación inicial todos los estados están desactivados. Cuando se cumple la condición C_0_1, entramos en el primer paso, lo cual se hace activando S_1 y desactivando INICIO:
    no-hay-barrera-2
    Para avanzar del paso 1 al 2 tiene que cumplirse la condición C_1_2. Se programa así:
    no-hay-barrera-3
    Pero también es posible, como se ha comentado, iniciar dos subsecuencias (pasos 4 y 6), si se cumple la condición C_1_4y6:
    no-hay-barrera-4
    Y de forma similar se va gestionando el flujo de la secuencia. Represento a continuación el paso 8, que puede parecer uno de los más complejos, al accederse de diferentes formas:
    no-hay-barrera-5
    Como se puede observar, este método nos permite construir cualquier secuencia con lenguajes disponibles en controladores de bajo nivel. Eso sí, hay que ser muy cuidadoso en la traducción, puesto que un error puede con facilidad hacer que su marcha se detenga, o activar simultáneamente dos pasos incompatibles. Además, el desarrollo y la depuración resultan muy engorrosos.
  • Índices
    Una alternativa a los bits antes comentados es emplear un registro en la memoria como índice del paso que se está siguiendo. Es decir, una cierta variable almacena los valores 1, 2, 3, 4…, y se incrementa conforme se avanza en la secuencia. En función de dicho valor, se realizan unas acciones u otras. Si se requieren subsecuencias, se emplean varios índices. Tienen el inconveniente de tener que recurrir a comparaciones para conocer el paso activo, y la ventaja de que evitan de forma natural extravíos en la evolución. Personalmente prefiero el uso de bits, pero debo reconocer que las razones son conceptuales, si no estéticas.

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Consejos para programar secuencias (2)

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  • A cada acción sigue su comprobación
    Si en un determinado paso se acciona una cinta transportadora, para avanzar al siguiente se debe recibir confirmación de marcha, o señal de una fotocélula al paso de un paquete. Si se arranca una bomba, debe de detectarse caudal, presión, llenarse un tanque, o cualquier otra cosa que dependa de dicho arranque. Las condiciones para el avance en la secuencia vienen directamente determinadas por las acciones que ésta realiza. Tanto es así que si no se realiza la comprobación es indicio de que dicho paso sobra; y si se incluye una condición adicional (no relacionada con la acción), lo que sobra es la condición.
    A veces no hay forma de detectar que la acción ha tenido efecto. En dichos casos es común introducir una temporización o exigir una confirmación del operador, que sigue siendo en el fondo una comprobación.
  • Discriminar secuencia y actuaciones
    Esto es una cuestión de orden, y supongo que cada uno tiene sus gustos al respecto. Personalmente prefiero mantener organizado de forma separada el código de las secuencias y el de funcionamiento de los equipos. Me resulta más claro tanto a la hora de hacer el seguimiento del proceso como al realizar modificaciones.
    El origen de este problema está en los propios entornos de programación, que no suelen representar de forma clara todos los elementos; y cuando lo permiten, el resultado es tan farragoso que se hace inmanejable. Para soslayar este inconveniente, lo mejor suele ser diseñar y programar por separado la secuencia, sus condiciones de avance, y las actuaciones. Estas últimas se agrupan equipo por equipo, junto con las protecciones y el resto de funcionamiento asociado. De este modo es fácil centrarse durante la puesta en marcha en el flujo general (la secuencia), en un problema concreto referido al avance (condición) o referido al equipo.
    discriminar-1
    discriminar-2

    Esta forma de estructurar el código es tanto más valiosa si se tiene en cuenta que en la práctica, durante la etapa de puesta en marcha o comisionado, es usual realizar bastantes modificaciones. Éstas darán lugar a reordenación de pasos, inclusión de nuevas ramas en la secuencia, cambio de condiciones, etc. Una organización compartimentada de la forma descrita permite alterar y rehacer el código con facilidad de acuerdo a los problemas que se van detectando.

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Consejos para programar secuencias (1)

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En esta serie de entradas me gustaría recopilar varios consejos relacionados con la programación de secuencias. Están orientados específicamente a la programación de autómatas, aunque no es una limitación, y aplican a cualquier proceso que se pretenda controlar siguiendo una serie de pasos.
En la literatura abundan manuales para aprender el lenguaje SFC. Quien quiera iniciarse, puede empezar, por ejemplo, con IEC 61131–3: Programming Industrial Automation Systems de John y Tiegelkamp. En la mayoría se describe cómo se crean secuencias, cómo se estructuran sus pasos, la diferencia entre secuencias únicas y paralelas, etc. Mi intención no es repetir este tipo de contenidos, sino apuntar lo que no figura en estos textos. Me refiero a conocimientos adquiridos por la experiencia, que suelen asimilarse tarde y a veces tras haber cometido un error. Para que el interesado sepa esquivarlos a tiempo, van estas recomendaciones:

  • Evitar las secuencias
    Parece un sinsentido, pero tiene su razón. Tendemos a concebir los procesos como listados de tareas, y esta visión no siempre responde a la realidad. A veces las actuaciones se derivan de la situación instantánea de la planta o el sistema, y no de su historia pasada. En dicho caso, embutir una secuencia es introducir una complejidad innecesaria y una posible fuente de errores.
    Pongamos un ejemplo sencillo: una bomba con una válvula en su impulsión, y vamos a pedir que ésta no abra con bomba parada para no descargar la tubería. Nuestra tendencia natural es concebir la actuación en una serie de pasos:

    1. Cuando se quiere aportar, arrancar bomba
    2. Cuando la bomba esté arrancada, abrir válvula
    3. Cuando se quiere dejar de aportar, cerrar válvula
    4. Cuando la válvula está cerrada, parar bomba

    evitar-las-secuencias-1
    Por supuesto, es legítimo plantear el funcionamiento con una secuencia semejante. Pero un programa correcto debería contemplar muchas más posibilidades. En particular, tiene que responder a las siguientes situaciones:

    • ¿Qué sucede si la bomba no arranca? La secuencia se quedaría detenida en el primer paso, sin posibilidad a priori de retroceder.
    • Si se da la posibilidad de salir de la secuencia en cualquier paso, el sistema quedará normalmente en un estado anómalo.
    • Si en el primer paso el operador decide no suministrar, la secuencia debe realizar todo su recorrido para poder terminar.

    Un programa correcto debería estudiar todas las posibles anomalías durante la evolución de la secuencia. Otra opción, más sencilla, sería resolverlo de la siguiente forma:
    evitar-las-secuencias-2
    El comportamiento es el correcto ante fallos, cambios de consigna sin haber completado acciones, etc. Es la ventaja de evitar una secuencia innecesaria.
    Por supuesto, hay circunstancias que las requieren de forma obligada; por ejemplo, las limpiezas in situ (cleaning in place) en las que un mismo equipo suele cumplir diferentes funciones según la fase del proceso. Una regla para discriminar ambas situaciones es preguntarse si, sin conocer la historia pasada del proceso, sólo con la información que procede de campo, es posible inferir las actuaciones siguientes. En tal caso, la secuencia es superflua.

  • Evitar aun más los biestables
    Este es un consejo general, pero más significativo cuando se programa en SFC. Un set o reset dentro de un paso es un fallo en potencia. Peor, de los que sobreviven a la puesta en marcha y lanzan su puñalada al cabo de meses o años. La razón es simple: supongamos que un motor se arranca en el paso tres y se para en el cinco. Llegará un día en que habrá que interrumpir la secuencia en el paso cuatro y el motor quedará en marcha, con todos los perjuicios que pueda ocasionar.
    evitar-biestables-1
    El porqué se suele desarrollar de esta forma responde al mismo motivo que el punto anterior. Tendemos a pensar así, a concebir el funcionamiento como una serie de acciones, y no como situaciones. La alternativa, simple, es sustituir biestables por contactos.
    evitar-biestables-2

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El paradigma olvidado (3). Programación lógica

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Cuando se tratan los lenguajes de programación, se suelen clasificar en cuatro grandes paradigmas:

  • Programación imperativa o por procedimientos, en la que el código es una secuencia de intrucciones que van alterando variables o flujo. Lenguajes típicos serían C o Pascal.
  • Programación funcional, en la que el código se asemeja a funciones o sentencias matemáticas. Por ejemplo, así es Haskell o Lisp.
  • Programación lógica, para la que un programa está compuesto por reglas (predicados), que sirven para la resolución de un problema. Tal sucede con Prolog.
  • Programación orientada a objetos. Propiamente se trata de programación imperativa, pero sus características suelen hacer que se trate independientemente. Típicos son C++ o Java.

Hay que hacer el inciso de que un paradigma no es tanto una clasificación de lenguajes como un estilo de programación; así, se puede hacer programación funcional con Java, por ejemplo.
En entradas previas de esta serie he hablado de los lenguajes de los PLC y de los HMI. Se ha visto que la programación funcional e imperativa están bastante extendidas, y que incluso se puede encontrar algún ejemplo de orientación a objetos. Hay que añadir que es común ver controladores con sistemas operativos embebidos como Linux o Windows XP, lo que permite desarrollar para ellos aplicaciones en lenguajes de alto nivel. Pero no tengo conocimiento de ningún sistema de control que use programación lógica. En realidad, este paradigma ha sido siempre el menos empleado en otros ámbitos, acaso también el menos comprendido.
Una búsqueda rápida en Google Academics nos devuelve bastantes artículos, incluso antiguos, sobre lógica difusa en sistemas de control, o redes neuronales, y en general se realiza bastante investigación en la aplicación de nuevas herramientas para abordar los problemas que la automatización plantea. También se usa la programación lógica para el modelado de autómatas. Pero no abundan los sistemas expertos que, basándose en conjuntos de reglas, descubran el procedimiento adecuado que debe seguir el sistema de control para alcanzar su objetivo. He encontrado una patente publicada en el año 1991 o, más recientemente, una propuesta de generación automática de código basándose en una descripción funcional,o una aplicación en la que la actuación de equipos se resuelve a partir de una base de conocimiento (eso sí, desde fuera del sistema de control).

Autor: Richard D. Skeirik
Autor: Richard D. Skeirik

En todo caso, un lenguaje de controlador que aplicase el paradigma lógico no sería tan ajeno como para partir de cero, y podemos imaginar fácilmente su aspecto y características. Vamos a basarnos en Prolog y lo aplicaremos a un ejemplo sencillo: un depósito con una bomba de llenado y una válvula a la salida.
bombeo-deposito
Empecemos por codificar los comportamientos de los equipos. En Prolog, el signo :- debe leerse como una implicación de derecha a izquierda (⇐).

%% Órdenes (salidas digitales) y sus confirmaciones (entradas digitales)
válvula_abierta :- válvula_abrir
válvula_cerrada :- válvula_cerrar
bomba_marcha :- bomba_orden

Es decir, abrir la válvula implica recibir señal de válvula abierta, y así con los siguientes. Este simple fragmento ya debería permitir al programa realizar inferencias. Si, por ejemplo, se manda abrir la válvula y no se recibe el final de carrera transcurrido un tiempo, podemos detectar la anomalía y generar una alarma. Esta idea concreta no forma parte de Prolog, pero sería una funcionalidad interesante fácil de implementar.
Lo original de la programación lógica es que el programador no debe encargarse de definir secuencias o acciones; se extraen de forma automática de las reglas. Por ejemplo, para esta construcción se pueden establecer la siguiente lógica, que hace uso de las boyas de máximo y mínimo nivel y el requerimiento de suministro:

%% Funcionamiento de los equipos
nivel_alto :- bomba_marcha
not(nivel_bajo) :- bomba_marcha
suministro :- válvula_abierta
not(suministro) :- válvula_cerrada

Las dos primeras líneas nos dicen que con la bomba en marcha sube el nivel (se desactiva la boya de mínimo y se activa la de máximo). Las dos siguientes, que con válvula abierta se suministra agua. Con estas reglas, que constituyen el programa en Prolog, a partir de las entradas (suministro, nivel_alto y y nivel_bajo), se deducen los valores de las salidas (válvula_abrir, válvula_cerrar y válvula_orden). El cómo lo veremos en la siguiente entrada.