3.5.3. Diagrama de funciones lógicas (FBD) · IEC 61131-3

Introducción al diagrama de funciones lógicas (FBD)

El diagrama de funciones lógicas (Function Block Diagram, FBD) es uno de los lenguajes gráficos definidos por la norma IEC 61131-3. Se basa en la interconexión de bloques funcionales (FBs) mediante líneas de señal, lo que permite representar sistemas de control complejos de forma modular y visual. Su origen se encuentra en los diagramas de circuitos electrónicos y de automática, y es especialmente útil para procesos con tratamiento de señales analógicas, regulación PID, lógica combinacional y secuencial.

A diferencia del Ladder, que simula un esquema eléctrico, FBD enfatiza el flujo de datos entre bloques. Cada bloque realiza una operación específica (temporización, conteo, comparación, operaciones aritméticas o lógicas) y puede ser reutilizado en múltiples partes del programa. Esta característica, junto con la claridad visual, hace de FBD una herramienta ideal para sistemas de automatización modulares y para el trabajo en equipo.

Ejemplo industrial: en una planta de tratamiento de aguas, un bloque funcional puede calcular el pH medio, otro comparar con un setpoint y un tercero activar una bomba de dosificación. La interconexión refleja directamente la estrategia de control.

Bloques funcionales (FBs): el corazón de FBD

Un bloque funcional es una unidad de software encapsulada que posee entradas, salidas y un algoritmo interno. Se representa gráficamente como un rectángulo con el nombre del bloque en la parte superior y los terminales de entrada a la izquierda y salida a la derecha. Los FBs pueden ser estándar (temporizadores, contadores, operadores aritméticos) o definidos por el usuario (DFB), creados para encapsular lógica repetitiva.

Ejemplo de bloque estándar: TON (Timer ON-Delay)

Entradas: IN (activación), PT (tiempo preset). Salidas: Q (salida temporizada), ET (tiempo transcurrido). Internamente, cuando IN pasa a TRUE, el temporizador cuenta hasta alcanzar PT y entonces activa Q.

Ejemplo de bloque de usuario: un bloque ControlMotor que agrupe la lógica de arranque, paro, protección térmica y realimentación, con entradas Marcha, Paro, Sobrecalentamiento y salida Motor.

Entradas y salidas gráficas

Las entradas pueden ser variables físicas (sensores, pulsadores) o señales procedentes de otros bloques. Las salidas se conectan a actuadores o a entradas de bloques posteriores. Esta representación gráfica facilita la comprensión del flujo de información. Por ejemplo:

   Sensor_Nivel ---|    |
                    |TON |--- Temporizado ---| CTU |--- Bobina_Alarma
   Constante_5s ----|____|                    |_____|

Así, el valor de Sensor_Nivel y la constante 5s entran al temporizador; su salida se conecta al contador, y la salida de éste activa una alarma.

Conexiones lógicas y flujo de señales

Las líneas de conexión representan el flujo de datos (variables booleanas, enteras, reales, etc.). En FBD, a diferencia de Ladder, no hay concepto de "corriente", sino de transferencia de valores. Esto permite manejar tipos de datos complejos de forma natural. Las conexiones se dibujan como trazos orientativos; los entornos de programación suelen auto‑enrutarlas.

Consejo de nomenclatura: asigna nombres significativos a las señales (por ejemplo, Nivel_Alto, Tiempo_Estabilizacion) para mejorar la legibilidad y el mantenimiento.

Modularidad y reutilización

Una de las grandes ventajas de FBD es la posibilidad de crear bloques funcionales propios (DFB). Una vez creado y probado un DFB (por ejemplo, un bloque que gestiona una válvula con temporizadores de seguridad), puede ser utilizado en distintos proyectos o múltiples veces dentro del mismo programa, simplemente arrastrando una nueva instancia. Esto reduce drásticamente el tiempo de desarrollo y los errores.

Datos técnicos: los DFB pueden tener variables internas (estado) que se conservan entre ciclos de scan, permitiendo implementar máquinas de estado, contadores, etc. La norma IEC 61131-3 establece la sintaxis tanto para FBD como para los DFB en lenguajes textuales (ST) que luego se empaquetan como bloques.

Ejemplo de reutilización: en una línea de envasado, cada estación de llenado utiliza el mismo DFB ControlLlenado con parámetros diferentes (tiempo de llenado, altura de sensor). Simplemente se instancia el bloque con distintos nombres y se conectan las entradas/salidas específicas.

Aplicación a procesos secuenciales y sistemas complejos

Los procesos secuenciales (una sucesión de pasos que se activan bajo condiciones) se modelan fácilmente en FBD mediante la interconexión de bloques que representan etapas, temporizadores y condiciones. A menudo se combina con SFC (Sequential Function Chart), pero dentro de un mismo bloque FBD se pueden implementar máquinas de estado.

Ejemplo paso a paso: sistema de dos tanques

1. Sensor de nivel bajo en tanque 1 (X0) activa el bloque TON1 (retardo 2s para evitar oscilaciones).
2. Salida de TON1 conectada a la entrada de un biestable SR (bloque SR) que pone en marcha la bomba.
3. La bomba llena el tanque 2; un sensor de nivel alto (X1) resetea el biestable y detiene la bomba.
4. Todo ello se representa con tres bloques y dos conexiones, mucho más compacto que en Ladder.

Además, gracias a la modularidad, podemos agrupar toda la lógica de un tanque en un DFB y replicarlo para varios tanques.

# fb_timer.py - Clase para simular un temporizador TON (IEC 61131-3)
# Se puede probar en Thonny y luego integrar en un bucle de control en Raspberry Pi
import time

class TON:
    """
    Bloque funcional TON: retardo a la conexión.
    - IN: bool  (entrada)
    - PT: float (tiempo preset en segundos)
    - Q: bool   (salida, True después del retardo)
    - ET: float (tiempo transcurrido desde flanco de IN)
    """
    def __init__(self, PT):
        self.PT = PT                # tiempo preset (s)
        self.IN_prev = False        # estado anterior de IN
        self.start_time = None       # momento de activación
        self.Q = False
        self.ET = 0.0

    def evaluate(self, IN):
        """Llámese a este método en cada ciclo de scan con el valor actual de IN."""
        # Detectar flanco de subida
        if IN and not self.IN_prev:
            self.start_time = time.time()
            self.ET = 0.0
        # Si IN sigue activo, actualizar ET y Q
        if IN:
            if self.start_time is not None:
                self.ET = time.time() - self.start_time
                if self.ET >= self.PT:
                    self.Q = True
                else:
                    self.Q = False
        else:
            # IN falso: resetear
            self.Q = False
            self.ET = 0.0
            self.start_time = None

        self.IN_prev = IN
        return self.Q, self.ET

# Ejemplo de uso: simular un ciclo con retardo de 2 segundos
if __name__ == "__main__":
    import time
    timer = TON(2.0)   # PT = 2 segundos
    # Simulamos entrada que se activa durante 3 segundos
    for segundo in range(5):
        IN = (segundo >= 1 and segundo <= 3)   # activo en t=1,2,3
        q, et = timer.evaluate(IN)
        print(f"t={segundo}: IN={IN}, Q={q}, ET={et:.2f}")
        time.sleep(1)   # simula tiempo real
    # Salida esperada: Q se activa en t=3 (cuando ET>=2)