Principios Básicos de los PLC
Principios Básicos
Con
la llegada de los autómatas programables, los llamados PLC, la industria sufrió
un impulso importante, que ha facilitado de forma notable que los procesos de
producción o control se hayan flexibilizado mucho. Encontramos PLC en la
industria, pero también en nuestras casas, en los centros comerciales,
hospitalarios, etc. También en nuestras escuelas de formación profesional
encontramos frecuentemente autómatas programables. PLC son las siglas en inglés
de Controlador Lógico Programable (Programmable Logic Controller). Cuando se
inventaron, comenzaron llamándose PC (Controlador programable), pero con la
llegada de los ordenadores personales de IBM, cambió su nombre a PLC (No hay
nada que una buena campaña de marketing no pueda conseguir). En Europa les
llamamos autómatas programables. Sin embargo, la definición más apropiada sería: Sistema Industrial de Control
Automático que trabaja bajo una secuencia almacenada en memoria, de
instrucciones lógicas.
¿Qué es un PLC?
El PLC es un dispositivo de
estado sólido, diseñado para controlar procesos secuenciales (una etapa después
de la otra) que se ejecutan en un ambiente industrial. Es decir, que van
asociados a la maquinaria que desarrolla procesos de producción y controlan su
trabajo.
Como puedes deducir de la
definición, el PLC es un sistema, porque contiene todo lo necesario para
operar, y es industrial, por tener todos los registros necesarios para operar
en los ambientes hostiles que se encuentran en la industria.
1.2 ¿Qué hace un PLC?
Un PLC realiza, entre
otras, las siguientes funciones:
- Recoger datos de las fuentes de entrada
a través de las fuentes digitales y analógicas.
- Tomar decisiones en
base a criterios pre programados.
- Almacenar datos en la memoria.
- Generar ciclos de tiempo.
- Realizar cálculos matemáticos.
- Actuar sobre los dispositivos externos
mediante las salidas analógicas y digitales.
- Comunicarse con otros sistemas externos.
Los PLC se distinguen de
otros controladores automáticos, en que pueden ser programados para controlar
cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros controladores (como por
ejemplo un programador o control de la llama de una caldera) que, solamente,
pueden controlar un tipo específico de aparato.
Además de poder ser programados,
son automáticos, es decir son aparatos que comparan las señales emitidas por la
máquina controlada y toman decisiones en base a las instrucciones programadas,
para mantener estable la operación de dicha máquina.
Puedes modificar las
instrucciones almacenadas en memoria, además de monitorizarlas.
Un
poco de historia
Cuando se empezaron a usar
los relés en el control de procesos productivos, se comenzó a añadir lógica a
la operación de las máquinas y así se redujo e incluso se eliminó la carga de
trabajo del operador humano.
Los relés permitieron
establecer automáticamente una secuencia de operaciones, programar tiempos de
retardo, contar las veces que se producía un suceso o realizar una tarea en
dependencia de que ocurrieran otras.
Los relés sin embargo,
tienen sus limitaciones: Tienen un tiempo limitado de vida, debido a que sus
partes mecánicas están sometidas a desgaste, los conductores de corriente
pueden quemarse o fundirse, y con ello puede provocarse una avería y tendrán
que ser reemplazados.
Desde el punto de vista de
la programación, su inconveniente mayor era que la estructura de programación
era fija. El panel de relés lo configuraban los ingenieros de diseño. Luego se
construía y se cableaba. Cuando cambiaban las necesidades de producción había
que construir un panel nuevo. No se podía modificar, al menos sin un coste
excesivo en tiempo y mano de obra.
Una aplicación típica de
estos sistemas utilizaba un panel de 300 a 500 relés y miles de conexiones por
cable, lo que suponía un coste muy elevado en instalación y mantenimiento del
sistema (aproximadamente de 25 a 45 euros por relé).
En aquella época, al entrar
en una sala de control, era habitual oír el clic continuo de los relés al
abrirse y cerrarse.
Muchos de ellos usaban
microprocesadores, pero al programarse en un lenguaje extraño a los ingenieros
de control (el assembler, observa la figura de la izquierda), el
mantenimiento era muy complejo.
La existencia de
ordenadores en el momento del desarrollo de los PLC fue lo que inspiró su
concepto: Había que diseñar un artefacto que, como una computadora, pudiese
efectuar el control y pudiese ser re-programada, pero pudiera soportar el
ambiente industrial.
Los primeros controladores
completamente programables fueron desarrollados en 1968 por una empresa de
consultores en ingeniería (Bedford y Asociados), que luego se llamó MODICOM.
Así el primer PLC fue
construido en 1969 por encargo de General Motors Hydramatic Division (fábrica
de transmisiones para los vehículos de la General Motors). Este PLC se diseñó
como un sistema de control con un computador dedicado para controlar una parte
de la cadena de producción y sustituir los sistemas de cableado que usaban
hasta la fecha, que resultaban difíciles de modificar, cada vez que se
requerían cambios en la producción.
Con estos controladores
primitivos era posible:
- Programar desarrollos de aplicaciones
para su uso en ambientes industriales.
- Cambiar la lógica de control sin tener
que cambiar la conexión de los cables.
- Diagnosticar y reparar fácilmente los
problemas detectados.
Los primeros PLC
incorporaban sólo un procesador para programas sencillos y algunos dispositivos
de entrada / salida. Posteriormente han ido desarrollándose hasta los equipos
actuales, que ya integran:
- Módulos multiprocesadores.
- Entradas y salidas digitales de contacto
seco, de relé o TTL (Transistor-Transistor-Logic o "Lógica
Transistor a Transistor", tecnología de construcción de circuitos
electrónicos digitales, en los que los elementos de entrada de la red
lógica son transistores, así como los elementos de salida del
dispositivo).
- Entradas y salidas analógicas para
corriente continua o alto voltaje.
- Puertas de comunicación en serie o de
red.
- Multiplexores análogos,
- Controladores PID (Proporcional Integral
Derivativo, controlador que intenta mantener la salida del dispositivo en
un nivel predeterminado).
- Interfaces con pantallas, impresoras,
teclados, medios de almacenamiento magnético.
Ventajas
y desventajas de los PLC
Ventajas
Las ventajas de los PLC son
las siguientes:
- Menor tiempo empleado en la elaboración
de proyectos debido a que:
No es necesario dibujar el esquema de
contactos.
No es necesario simplificar
las ecuaciones lógicas ya que, por lo general, la capacidad de almacenamiento
del módulo de memoria es lo suficientemente grande como para
almacenarlas.
La lista de materiales a emplear es más
reducida y, al elaborar el presupuesto correspondiente, se elimina parte del
problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de
entrega, etc.
- Posibilidad de introducir modificaciones
sin cambiar el cableado y añadir aparatos.
- Mínimo espacio de ocupación
- Menor coste de mano de obra de la
instalación
- Economía de mantenimiento. Además de
aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los
mismos autómatas pueden detectar e indicar posibles averías.
- Posibilidad de gobernar varias máquinas
con un mismo autómata.
- Menor tiempo para la puesta en
funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado.
- Si por alguna razón la maquina queda
fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para controlar otra
máquina o sistema de producción.
Inconvenientes
- Hace falta un programador, lo que exige
la preparación de los técnicos en su etapa de formación.
- La inversión inicial es mayor que en el
caso de los relés, aunque ello es relativo en función del proceso que se
desea controlar. Dado que el PLC cubre de forma correcta un amplio
espectro de necesidades, desde los sistemas lógicos cableados hasta el
microprocesador, el diseñador debe conocer a fondo las prestaciones y
limitaciones del PLC. Por tanto, aunque el coste inicial debe ser tenido
en cuenta a la hora de decidirnos por uno u otro sistema, conviene
analizar todos los demás factores para asegurarnos una decisión acertada.
¿Cómo
funciona el PLC?
Una vez que se pone en
marcha, el procesador realiza una serie de tareas según el siguiente orden:
a) Al
encender el procesador ejecuta un auto-chequeo de encendido y bloquea las
salidas. A continuación, si el chequeo ha resultado correcto, el PLC entra en
el modo de operación normal.
b) El
siguiente paso lee el estado de las entradas y las almacena en una zona de la
memoria que se llama tabla de imagen de entradas (hablaremos de ella más
adelante).
c) En
base a su programa de control, el PLC actualiza una zona de la memoria llamada
tabla de imagen de salida.
d) A
continuación el procesador actualiza el estado de las salidas
"copiando" hacia los módulos de salida el estado de la tabla de
imagen de salidas (de este modo se controla el estado de los módulos de salida
del PLC, relay, triacs, etc.).
e) Vuelve
a ejecutar el paso b)
Cada ciclo de ejecución se
llama ciclo de barrido (scan), el cual normalmente se divide en:
- Verificación de las entradas y salidas
- Ejecución del programa
Otras funciones adicionales del PLC
a) En
cada ciclo del programa, el PLC efectúa un chequeo del funcionamiento del
sistema reportando el resultado en la memoria, que puede ser comprobada por el
programa del usuario.
b) El
PLC puede controlar el estado de las Inicializaciones de los elementos del
sistema: cada inicio de un microprocesador también se comunica a la memoria del
PLC.
c) Guarda
los estados de las entradas y salidas en memoria: Le puedes indicar al PLC el
estado que deseas que presenten las salidas o las variables internas, en el
caso de que se produzca un fallo o una falta de energía en el equipo. Esta
funcionalidad es esencial cuando se quieren proteger los datos de salida del
proceso.
d) Capacidad
modular: Gracias a la utilización de Microprocesadores, puedes expandir los
sistemas PLC usando módulos de expansión, en función de lo que te requiera el
crecimiento de tu sistema. Puede expandirse a través de entradas y salidas
digitales, análogas, etc., así como también con unidades remotas y de
comunicación.
¿Cómo
se clasifican los PLC?
Los PLC pueden
clasificarse, en función de sus características en:
PLC Nano:
Generalmente es un PLC de tipo
compacto (es decir, que integra la fuente de alimentación, la CPU y las
entradas y salidas) que puede manejar un conjunto reducido de entradas y
salidas, generalmente en un número inferior a 100. Este PLC permite manejar
entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales.
PLC Compacto
Estos PLC tienen
incorporada la fuente de alimentación, su CPU y los módulos de entrada y salida
en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas entradas y
salidas hasta varios cientos (alrededor de 500 entradas y salidas), su tamaño
es superior a los PLC tipo Nano y soportan una gran variedad de módulos
especiales, tales como:
- entradas y salidas análogas
- módulos contadores rápidos
- módulos de comunicaciones
- interfaces de operador
- expansiones de entrada y salida
PLC Modular:
Estos PLC se componen de un
conjunto de elementos que conforman el controlador final. Estos son:
- El Rack
- La fuente de alimentación
- La CPU
- Los módulos de entrada y salida
De estos tipos de PLC
existen desde los denominados Micro-PLC que soportan gran cantidad de entradas
y salida, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de
entradas y salidas.
Lenguajes de programación
Los lenguajes de
programación ofrecen un conjunto de instrucciones con una determinada sintaxis
para ejecutar una función.
Existen lenguajes de nivel
bajo, intermedio y superior dependiendo del grado de comunicación que se tiene
con la unidad de control de procesos (CPU) y el grado de complejidad de las
instrucciones.
Los lenguajes de
programación también se pueden clasificar entre si son lenguajes estructurados
o no estructurados, lo que se refiere a la forma en que se escriben y agrupan
las instrucciones.
Los lenguajes de
programación deben ser de fácil entendimiento, de manera que permitan su
modificación posterior, si es que existen nuevos requerimientos.
Lenguajes de bajo nivel
Son los lenguajes que
operan con instrucciones que controlan cada bit de la CPU. Ejemplo de ello son
los lenguajes assembler y de máquina. No obstante, están muy limitados:
Por ejemplo, con estos lenguajes sólo se pueden sumar números de 8 ó 16 bits.
Para realizar una suma más compleja, de números de más bits, es necesario
descomponer el número en números sencillos, sumarlos uno por uno guardando el
arrastre de cada suma básica, para sumarlo con el siguiente número más
significativo y así sucesivamente.
Ejemplo:
Suma 2+3 en Assembler de Z80
LD A, 03H Carga 3 al acumulador A (A=3)
ADD A, 02H Suma 2 al acumulador A (A=5)
Lenguajes de nivel intermedio
Con estos lenguajes de
programación se dispone de un conjunto de instrucciones que ya pueden
comunicarse, tanto a nivel de bit con el microprocesador, como ejecutar
funciones de mayor grado de complejidad.
En estos lenguajes de nivel
intermedio se incorporan las funciones aritméticas, algunas funciones
matemáticas (trigonométricas, raíz cuadrada, logaritmos, etc.) y funciones de
manipulación de archivos en dispositivos de almacenamiento externo.
Ejemplos de lenguajes de
nivel medio: C, FORTH.
Ejemplo:
Cálculo de 20! en C:
s=1;
For (i=2; i<=20;i++)
s=s*i;
Lenguajes de nivel superior
Con los lenguajes de nivel
superior se consigue realizar con tan solo una instrucción una operación, que
con los lenguajes de niveles inferiores sólo se podrían realizar con el auxilio
de un conjunto de múltiples instrucciones.
Así por ejemplo, con una
sola instrucción, un lenguaje de nivel superior orientado al empleo de bases de
datos, puede ordenar alfabéticamente una lista de nombres.
Ejemplos de lenguajes de
nivel superior: PASCAL, FORTRAN, BASIC, dBASE, COBOL, SQL.
Ejemplo:
Ordenamiento de un directorio telefónico en dBASE
Use teléfono
index on nombre to telenom
Lenguajes estructurados y no estructurados
En la programación
estructurada, a diferencia de la no estructurada, no se puede bifurcar el
programa. Es decir, sólo puedes ejecutar el programa por secciones. Para
realizar una bifurcación, tendrás que recurrir a instrucciones condicionales
que ejecutarán una sección del programa sólo si se cumple una determinada
condición. Aquí radica la diferencia fundamental entre ambas formas de
programación.
El lenguaje no estructurado
permite la bifurcación desde y hacia cualquier línea del programa.
Ejemplos de lenguajes no
estructurados: BASIC, FORTRAN, Assembler.
Ejemplos de lenguajes
estructurados: C, PASCAL, dBASE.
Lenguajes de programación orientados a PLC
El lenguaje de programación
de un PLC permite la creación del programa que controlará su CPU.
Mediante este lenguaje el
programador podrá comunicarse con el PLC y así confiarle un programa para
controlar las actividades que debe realizar el autómata. Dependiendo del
lenguaje de programación empleado, se podrá realizar un programa más o menos
complejo.
Junto con el lenguaje de
programación, todos los fabricantes de PLC suministran un software de entorno
para que el usuario pueda escribir sus programas de manera confortable. Este
software es normalmente gráfico y funciona en ordenadores personales con
sistemas operativos habituales.
Los sistemas de
programación más habituales para programar los PLC son:
- Programación con diagrama de escalera
- Programación con bloques funcionales
- Programación con lógica booleana
El diagrama de
escalera es uno de los más utilizados en la programación de PLC. Se desarrolla
a partir de los sistemas antiguos basados en relés. Que se continúe utilizando se debe principalmente a dos razones:
- Los técnicos encargados en el
mantenimiento de los PLC están acostumbrados este lenguaje.
- Aunque los lenguajes de alto nivel se
han desarrollado mucho, han sido pocos los que han podido cubrir de modo
satisfactorio todos los requerimientos de control en tiempo real que
incluyan la representación de los estados de los puntos de entrada y
salida.
Esta forma de programación
se ha llamado de lógica de escalera, porque en el diseño gráfico del diagrama
se emplean una especie de "rieles" y "peldaños", como en el
ejemplo de la imagen de la página anterior, que muestra el esquema del arranque
de un motor.
Visión somera de la lógica de escalera
La lógica de escalera es la
forma convencional de describir paneles eléctricos y aparatos de control
lógico.
El estado de cada
dispositivo de salida se puede determinar solo examinando el elemento
precedente en el rango lógico. Todas las salidas, relojes y contadores se
controlan por la lógica que le precede en el rango lógico.
Una salida está activada
(ON) cuando el elemento anterior presenta un estado de contacto activado como
salida.
Ejemplos de ello son: Un
motor en movimiento, un piloto iluminado o un solenoide activado.
Para que una salida reciba
un estado activado (ON), la serie de elementos contacto activado tiene que
enlazar con la salida al eje lógico izquierdo. Tenemos un estado contacto
activado cuando un contacto normalmente abierto (NO) se cierra o bien un
contacto que normalmente está cerrado (NC) se desactiva o abre.
Un ejemplo es la apertura
normal de un interruptor que ha sido activado para enviar energía a una salida,
como por ejemplo una lámpara. En el diagrama de escalera este tipo de elemento
se representa con un contacto normalmente abierto (NO).
Utilizando la lógica de
escalera puedes escoger toda una serie de posibilidades para las salidas, que
pueden activarse o modificarse usando las estructuras AND y OR. Puedes observar
estas posibilidades en el ejemplo que se muestra en la página siguiente:
RANGO
1
Este
es un ejemplo de un contacto NO (IN-1) conectado directamente a la salida
(OUT-1). OUT-1 está activado solo cuando IN-1 está activado. Si IN-1 fuera un
interruptor y OUT-1 una lámpara, la lámpara funcionaría con la operación del
interruptor.
RANGO
2
Éste
muestra un circuito un poco mas complejo con dos
entradas. IN-2 e IN-3 están colgados del eje izquierdo y
conectados a OUT-2. OUT-2 está activado si y solo si IN-2 e IN-3 están
activados. Este tipo de circuitos se conoce como de lógica AND.
RANGO
3
Muestra
la lógica OR. OUT-3 está activado solo cuando IN-4 o IN-5 están activados.
RANGO
4
Muestra
un circuito compuesto por la lógica AND y la lógica OR en el mismo rango. OUT-4
estará activado si y solo si una de las siguientes condiciones se cumple: IN-6
o IN-7 tienen que estar activados y al mismo tiempo IN-8 también tiene que
estar activado.
Si
no se cumple alguna de estas condiciones, la salida no se activará.
RANGO 5
El siguiente circuito es el
contacto cerrado normalmente. Recuerda que el control no conoce ni sabe cuando
consideras que tu entrada es una apertura normal (NO) o un cierre normal (NC).
El control solo examina la línea de entrada para determinar está activado o
desactivado, con independencia de si es su estado normal. Un contacto
normalmente cerrado solo representa la condición opuesta a la línea de entrada,
es decir, que estará activado, cuando la línea de entrada no lo está.
2.1.2 Tipos de instrucciones en la
lógica de escalera
En la lógica de escalera
existen dos tipos de instrucciones:
- Instrucciones básicas
- Instrucciones expandidas
Las instrucciones básicas
obedecen al origen de la lógica: Los relés. Así contemplan los propios relés, latches
, temporizadores, contadores, manipulación de registros y puntos de entrada y
salida, conversiones y funciones matemáticas.
Las instrucciones
expandidas contemplan la realidad de la presencia de microprocesadores en los
PLC y ya incluyen funciones tales como movimiento de datos, movimiento de
tablas, administradores de listas, aritmética con signo y doble precisión,
cálculos matriciales y ejecución de subrutinas.
Programación con bloques funcionales
Hoy en día, para programar
PLC, como también otros equipos, se usa una interface gráfica de bloques
funcionales. Este tipo de programación ha sido diseñado para describir,
programar y documentar la secuencia del proceso de control, todo en sencillos
pasos.
En Europa, se utiliza el
lenguaje de programación llamado GRAFCET (creado en FRANCIA, Gráfico de Orden
Etapa Transición). Es un lenguaje extraordinariamente sencillo y fácil de
entender por personas sin demasiados conocimientos de automatismos eléctricos.
Está especialmente diseñado para resolver problemas de automatismos
secuenciales.
En la lógica secuencial, la
programación con bloques funcionales es muy superior a otras formas de
programación, mientras que los diagramas escalera y booleanos son mejores en
lógica combinacional.
Dado que hoy en día el
control de procesos se programa principalmente con lógica secuencial, la
programación con bloques funcionales se convierte en el estándar para programar
PLC.
Este lenguaje incluye un
conjunto de símbolos y convenciones tales como pasos, transiciones,
conectividades (también llamados enlaces) y condiciones.
Pasos
Los pasos son una serie de
símbolos secuenciales individuales, que se representan por cuadrados numerados,
cuadrados que pueden contener nombres que describen la función del paso.
Transiciones
Las transiciones son los
elementos del diagrama que describen el movimiento de un paso a otro. Su
representación es una línea horizontal corta.
Enlaces
Los enlaces muestran el
flujo del control, el que va desde arriba hacia abajo, salvo que se indique lo
contrario.
Condiciones
Las condiciones están
asociadas a las transiciones y deben ser escritas a la derecha. Describen el
entorno que se debe cumplir en un momento dado.
Las unidades funcionales y la administración
de entradas-salidas
¿Cuáles son las unidades
funcionales de un PLC?
Un controlador lógico
programable se compone de cuatro unidades funcionales:
- La unidad de entradas
- La unidad de salidas
- La unidad lógica
- La unidad de memoria
¿Qué pasa dentro del PLC?
En el diagrama que se
muestra a continuación se puede observar la estructura interna de los PLC del
cual vamos a describir cada una de las unidades funcionales mencionadas más
arriba:
Unidad de Entradas
La unidad de entradas
proporciona el aislamiento eléctrico necesario del entorno y adecua el voltaje
de las señales eléctricas que recibe el PLC que provienen de los interruptores
de los contactos. Las señales se ajustan a los niveles de voltaje que marca la
Unidad Lógica.
A este módulo se unen
eléctricamente los captadores (interruptores, finales de carrera,
pulsadores,...).
La información recibida en él, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la programación residente.
La información recibida en él, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la programación residente.
Captadores
activos Captadores
pasivos
Se pueden diferenciar dos
tipos de captadores que se pueden conectar al módulo de entradas: Los Pasivos y
los Activos.
Los Captadores Pasivos son aquellos que cambian su estado lógico,
activado - no activado, por medio de una acción mecánica. Ejemplo de ellos son
los Interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc.
Los Captadores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan de la
alimentación por una tensión para variar su estado lógico. Este es el caso de
los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoeléctricos).
Muchos de estos aparatos
pueden ser alimentados por la propia fuente de alimentación del autómata.
Todos los que conocen los
circuitos de automatismos industriales realizados con contactores, saben que se
pueden utilizar, como captadores, contactos eléctricamente abiertos o
eléctricamente cerrados dependiendo de su función en el circuito (hablaremos de
este tema un poco más adelante).
Como ejemplo podemos ver un
simple arrancador paro / marcha. En él se distingue el contacto usado como
pulsador de marcha que es normalmente abierto y el usado como pulsador de
parada que es normalmente cerrado (Ver figura izquierda en la siguiente página)
Sin embargo en circuitos
automatizados por autómatas, los captadores son generalmente abiertos. El mismo
arrancador paro / marcha realizado con un autómata (figura de la derecha en la
página siguiente) contempla esta variedad.
En él se ve que ambos
pulsadores y el relé térmico auxiliar son abiertos.
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Unidad de Salidas
Esta unidad acepta las
señales lógicas provenientes de la Unidad Lógica y proporciona el aislamiento
eléctrico a los interruptores de contactos que se conectan con el entorno.
Las unidades de entrada /
salida del PLC son funcionalmente iguales a los bancos de relés, que se
empleaban en los antiguos controladores lógicos de tipo tambor. La diferencia
radica en que las unidades de entrada / salida de los PLC son de estado sólido.
La eliminación de contactos
mecánicos se traduce en una mayor velocidad de operación y mayor tiempo entre
averías (MTBF).
Unidad Lógica
El corazón de un PLC
es la unidad lógica, la cual se basa en un microprocesador. Esta unidad ejecuta
las instrucciones programadas en la memoria, para desarrollar los esquemas de
control lógico que se han diseñado previamente.
Algunos equipos antiguos
contienen en la unidad lógica elementos discretos, como por ejemplo: Compuertas
NAND, NOR, FLIPFLOP, CONTADORES, etc. Este tipo de controladores son de HARDWARE
(físicos), mientras que aquellos que utilizan memorias se llaman de SOFTWARE
(lógicos).
Memoria
La memoria almacena el
código de mensajes o instrucciones que tiene que ejecutar la unidad lógica del
PLC. Las memorias se pueden clasificar en PROM o ROM y RAM.
Memoria ROM: Es la memoria de sólo lectura (Read only
Memory). Es un tipo de memoria no volátil, que puede ser leída pero no
escrita, es decir, está pregrabada. Se utiliza para almacenar los programas
permanentes que coordinan y administran los recursos del equipo y los datos
necesarios para ejecutar la operación de un sistema basado en
microprocesadores. Esta memoria se mantiene aunque se apague el aparato.
Memoria RAM: Es una memoria de acceso aleatorio (Random
Access Memory). Esta memoria es volátil y puede ser leída y escrita según
se desarrolle la aplicación. Durante la ejecución del proceso se puede acceder
en cualquier momento a cualquier posición de la memoria.
Por medio de estas memorias
se puede utilizar un PLC en procesos diferentes, sin necesidad de readecuar o
transformar el equipo; sólo se debe modificar el programa que está cargado.
Para el control de un proceso ejecutado por lotes (batch), se pueden almacenar
varias instrucciones en la memoria y acceder exactamente a aquélla que
interesa.
Esta memoria guarda los
programas de la aplicación que se pueden modificar. Además la memoria se
protege con baterías, para no perder la información cuando se den cortes de
fluido eléctrico.
El sistema opera a través
de la interacción con el procesador (la unidad lógica) y la Memoria.
Cuando se enciende el
equipo, el procesador lee la primera palabra de código (instrucción) almacenada
en memoria y la ejecuta.
Una vez que termina de
ejecutar la instrucción leída, busca en memoria la siguiente instrucción y así
sucesivamente hasta que se completa la tarea.
Esta operación se llama
ciclo de búsqueda-ejecución (FETCHEXECUTE CYCLE).
Interfaces de Estado Sólido
La función de los módulos
de entrada y salida, que ya hemos descrito, es conectar el PLC con el mundo
exterior de los motores, interruptores límites, alumbrados, y dispositivos de
medición que están presentes en el entorno que queremos controlar y hacer
funcionar.
Estos módulos se construyen
a través de elementos de estado sólido.
Las primeras aplicaciones
que se realizaron con dispositivos para el control de partida de equipos de
potencia se remontan a principios de la década de 1950, cuando se utilizaban
diodos y transistores.
Sin embargo, en la
práctica, las aplicaciones productivas comenzaron en 1957, con la aparición del
primer rectificador controlado de silicio (SCR).
Los componentes de estado
sólido empleados en las aplicaciones de control industrial han reemplazando a
los relés mecánicos en muchas de las funciones que éstos llevaban a cabo.
Los dispositivos de estado
sólido presentan muchas ventajas con respecto a los relés, tales como, alta
velocidad de operación, pequeño tamaño y bajo consumo de potencia.
Sin embargo, son
eléctricamente menos robustos y más sensibles a las temperaturas elevadas y a
la interferencia electromagnética (EMI), es decir, más susceptibles a fallos.
Rectificador controlado de
silicio SCR
El rectificador controlado
de silicio (SCR), llamado también tiristor, se utiliza como un interruptor
electrónico que deja pasar corriente en un solo sentido.
El SCR, al recibir un
impulso por la compuerta, deja pasar corriente sólo en el sentido ánodo →
cátodo, comportándose de forma similar a un diodo.
Para que se inicie la
conducción de un SCR debe darse que:
1) El ánodo sea positivo
respecto al cátodo.
2) Se dé un impulso
positivo entre la compuerta y el cátodo.
El SCR permanecerá en el
modo de conducción mientras el valor de la corriente esté por encima del valor
crítico mínimo y se mantenga la diferencia de potencia positiva del ánodo con
respecto al cátodo.
El SCR también entrará en
conducción si la tensión entre el ánodo y el cátodo sobrepasa los límites
específicos del SCR (conducción por avalancha).
Generalmente, se emplea el
SCR en circuitos de corriente alterna (AC). Mediante un impulso de control en
la compuerta, que debe aplicarse durante el medio ciclo positivo, el SCR entra
en conducción.
Existen diversos circuitos
electrónicos utilizados para enviar los impulsos correspondientes a la
compuerta del SCR. Algunos de ellos emplean microprocesadores, circuitos
temporizadores, sensores de fase, UJT, etc.
El TRIAC
El TRIAC tiene un amplio
campo de uso en los arranques de motores de corriente alterna (AC), ya que
puede conducir en ambos semiciclos de voltaje alterno.
En comparación con los
relés, el TRIAC resulta ser más sensible a la tensión aplicada, a la corriente
y a la disipación interna de potencia. Una mala operación pude dañar el dispositivo para siempre.
Efectos del ruido
Se define el ruido como
toda señal eléctrica indeseada, que puede entrar al equipo por diferentes vías.
El ruido abarca el espectro
completo de frecuencia y no presenta una forma de onda determinada.
El ruido eléctrico puede
ocasionarles serios problemas de funcionamiento a los equipos de estado sólido,
a causa de los bajos niveles de señal con las que éstos funcionan.
El ruido puede corresponder
a alguno de los tres tipos básicos que se indican:
- Ruido transmitido, propio de la señal original.
- Ruido inherente, producto de los elementos que se
integran en un sistema de adquisición de datos.
- Ruido inducido, originado por las fuentes de
alimentación, acoplamientos magnéticos y acoplamientos electrostáticos.
Algunas medidas que deben
tenerse en cuenta para reducir el acoplamiento del ruido eléctrico son:
- Usar encapsulados metálicos adecuados
(jaula Faraday).
- Canalizar las líneas de control de los
dispositivos de estado sólido en forma separada de las líneas de
alimentación.
- Utilizar cables apantallados y
trenzados, que proporcionan un escudo adecuado contra el acoplamiento
electrostático y magnético.
El empleo de filtros
adecuados permitirá eliminar el ruido indeseado de la señal.
Consideraciones
especiales
Los componentes de estado
sólido son muy fiables cuando se utilizan en los rangos y condiciones de
operación adecuados.
La vida media de un TRIAC
puede ser, por ejemplo, de 450.000 horas o 50 años, considerando condiciones de
operación típicas. Sin embargo, puede fallar de forma aleatoria, incluso si se
emplea dentro de los rangos de operación de diseño.
No es posible predecir
cuándo va a fallar un componente de estado sólido cualquiera, como en el caso
de los relés mecánicos, en los que observando su comportamiento se puede
conocer el estado operacional y la vida media esperable del aparato.
Los controladores lógicos
programables tienen en cuenta las limitaciones y ventajas de los elementos de
estado sólido que emplean, de modo que se pueden minimizar los efectos del
ruido.
Generalmente, los PLC
emplean rutinas de autodiagnóstico y verifican constantemente el funcionamiento
correcto de los dispositivos de entrada y salida.
Administración de entradas y salidas de un PLC.
Bases del montaje
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El montaje de los diversos
módulos del PLC se realiza en slots o espacios preparados ubicados en racks
o armarios.
Los módulos básicos de un
PLC son:
- Fuente de alimentación
- CPU
- Interfaces de entrada y salida
Dependiendo del modelo y la
marca, existen en el mercado racks de diversos tamaños, que pueden
contener por ejemplo 4, 6, 8, 12, 14 y 16 slots.
Según la aplicación y los
equipos a montar, se debe escoger el tamaño adecuado de rack. En todo
caso, siempre es posible instalar un módulo de ampliación, que permite la
conexión de un rack adicional.
Otros módulos existentes son:
- Módulos de comunicaciones (TCP/IP, DH+,
etc.)
- Módulos de control de redundancia
- Módulos para conexión de racks remotos
- Módulos de interfaz hombre-máquina
(teclado, monitores, etc.)
- Módulos de almacenamiento de información
- Módulos controladores PID
Módulos de comunicaciones
Los módulos de
comunicaciones permiten la conexión del PLC a otros sistemas de información,
tales como computadores y otros PLC.
Existen por ejemplo redes
tipo Data Highway (Conjunto de dispositivos electrónicos - PCs, servidores,
módems, routers - y elementos de comunicación - redes telefónicas, fibras
ópticas, satélites - que permiten a empresas y particulares el acceso a grandes
cantidades de información) para establecer una red de PLC conectados a un
computador Host, utilizada comúnmente en sistemas de control
distribuido.
Módulos de control de
redundancia
Son utilizados para
asegurar la operación de un módulo redundante en caso de fallos (el módulo
redundante es aquel que se emplea por duplicado para garantizar que el sistema
no se cae aunque falle alguno de los subsistemas que lo atienden).
Generalmente se utiliza
redundancia para el módulo de fuente de alimentación y la CPU.
Módulos para conexión
de racks remotos
En muchas aplicaciones los
sensores y los actuadores están localizados a gran distancia del PLC. En estos
casos se utilizan los racks remotos, que se conectan por medio de un
cable al rack central del PLC. De este
modo se consiguen distancias de hasta 300 metros.
Para establecer esta
comunicación se utiliza un módulo denominado canal controlador de entradas y
salidas (IOCC) en el rack local y otro llamado controlador de base (DBC)
en el rack remoto, al que se le puede conectar otro rack remoto,
estableciéndose así una arquitectura distribuida con distintos niveles de
jerarquía
Módulos de interfaz
hombre-máquina
Se utilizan para establecer
la comunicación entre el PLC y el usuario. En la mayoría de los casos se emplea
con este fin, un computador PC conectado serialmente, desde el cual se puede
programar el PLC y ver los estados de los registros internos y los puntos de
entrada/salida. En otros casos se usa un Hand held monitor, que es un dispositivo
pequeño con teclas funcionales y pantalla de caracteres.
Módulos de
almacenamiento de información
Por lo general se utilizan
medios de almacenamiento magnéticos tales como cintas y discos, en los que se
puede guardar información de los valores de los puntos de entrada y salida y
registros internos.
Módulos controladores
PID
Se utilizan en el control
de procesos, en el que se pretende conseguir que una variable de salida de un
proceso sea igual a una variable de referencia.
Puntos de entrada y
salida
Los puntos de entrada y
salida del PLC son las entradas y salidas físicas que éste puede manejar.
Cada punto tiene su
representación interna en la memoria del PLC, en la que se utilizan números
para identificarlos.
Por lo general los módulos
de entrada y salida vienen configurados en grupos de 8 puntos y pueden llegar
hasta 1024, ampliables a más.
Los puntos de entrada son
designados como X0, X1, X2, X3..., mientras que los puntos de salida se
identifican como Y0, Y1, Y2, Y3...
En el gráfico que verás a
continuación se muestra una configuración básica de un PLC de 16 entradas y 16
salidas:
Al diseñar el programa se
debe hacer referencia a las variables de entrada y salida que identifican los
puntos del PLC.
Ejemplo
En el ejemplo gráfico que
verás en la página siguiente se desea encender una lámpara L1 cuando se conecte
el interruptor A o el interruptor B y encender una lámpara L2 cuando L1 esté
apagada y el interruptor C esté conectado.
La asignación de entradas y
salidas se efectúa por medio del dispositivo de programación del PLC. Por lo
general se utiliza un PC con interfaz gráfica que permita visualizar el
diagrama escalera RLL (Relay Ladder Logic), del cual hablaremos más
adelante.
Registro imagen
Es un área de memoria del
PLC reservada para mantener el estado de todas las entradas y salidas. Este
registro se actualiza en forma permanente. Existen diversos registros:
Registro imagen discreto
Corresponde a
localizaciones de bits, donde se almacena el estado de todas las entradas /
salidas digitales.
Registro imagen de relé control
Son localizaciones de
memoria de bits donde se guarda el estado de los relés control.
Registro imagen de palabra
Consiste en localizaciones
de memoria, donde se registra el valor de cada palabra de entrada y salida.
En la programación de un
PLC se utiliza también registros internos, que son de gran ayuda para almacenar
datos intermedios. Estos registros son designados
comúnmente como C0, C1, C2,...
EJEMPLO PRÁCTICO DEL USO DE UN SISTEMA
CONTROLADO POR PLC.
Control de los sistemas de un
túnel para el tránsito de vehículos
Como es sabido, la
normativa europea de control de túneles, especialmente tras el incendio en el
paso fronterizo entre Italia y Francia, exige el empleo de las mejores técnicas
de control. En nuestro ejemplo, hablamos de un túnel de 2.5 km, en el que hay
que controlar cuatro variables:
- Calidad del aire en el túnel
- Velocidad a la que están circulando los
vehículos
- Sentido del tráfico
- Nivel del depósito de agua para apagar
posibles incendios
Estructura del sistema de control
En nuestro ejemplo, el
sistema de control será, para lo cual utilizaremos los siguientes elementos:
- Un PLC con un rack remoto por
cada 500 metros.
Los racks remotos se ocuparán de recoger las señales de los distintos sensores (medidores de temperatura, presión, CO, CO2, opacidad, presencia de vehículos y nivel de agua del depósito) y accionar los dispositivos de salida (ventiladores, avisos luminosos, semáforos y bomba de agua).
- Una red de ordenadores conectados al PLC
a través de una red de comunicaciones. Los ordenadores tendrán la función
de servir como interfaz hombre - máquina. En ellos se podrán visualizar
los resultados de las órdenes enviadas a cada elemento de salida y se
podrá monitorizar el estado de la operación del túnel.
Control de los elementos
Control de la calidad de aire del
túnel
Por el mero hecho de
garantizar la supervivencia de los usuarios, es necesario que el nivel de la
calidad del aire, que está en el interior del túnel, esté dentro de los límites
adecuados.
Con este fin se instalan a
lo largo del túnel medidores de presión, temperatura, CO, CO2 y opacidad, que
sirven para calcular los valores que finalmente señalarán el grado de calidad
del aire.
Para mejorar la calidad del
aire, el túnel dispone de ventiladores ubicados en la entrada y en la salida,
con los que se renueva el aire en el interior del túnel.
Control de la velocidad de los vehículos del túnel
Para
evitar accidentes, los vehículos que circulan al interior del túnel no pueden
exceder la velocidad límite establecida (por lo general 80 km/h). Para poder
garantizar este hecho, a lo largo del túnel se instalan medidores de la
velocidad del tráfico, mediante el uso de detectores de presencia de los
vehículos.
Estos
detectores se colocan por parejas longitudinalmente con respecto al eje de
circulación. La velocidad se calcula a partir de la la diferencia de tiempos
entre la detección de presencia vehicular del primer detector y el segundo.
Cuando la velocidad exceda por encima del límite establecido, se encenderán los
avisos luminosos localizados el túnel, para indicar a los conductores, que
deben disminuir su velocidad.
Además
de calcular la velocidad y controlarla, es necesario determinar la cantidad
real de vehículos que circula simultáneamente por el interior del túnel, con el
objeto de evitar que se produzcan atascos, lo cual podría redundar en un
perjuicio para la seguridad de los viajeros, además de posibles atascos.
Control del sentido del tráfico en el interior del túnel
En aquellas carreteras
donde todavía no se han construido túneles independientes para cada uno de los
sentidos del tránsito, el transito normal del túnel será de doble vía.
No obstante, las
autoridades o los responsables de la conservación y mantenimiento del túnel
podrán modificar a conveniencia (motivado por el incremento del tráfico en
fines de semana o períodos vacacionales o cualquier otra razón), estableciendo
el flujo de vehículos sólo en el sentido de mayor tráfico, e incluso
alternativamente.
Con este objeto y también
para impedir el acceso al túnel en caso de que se produzca algún incidente, se
disponen a la entrada y salida de los túneles de unos semáforos, que indican
con sus luces verdes y rojas el sentido permitido del tránsito de cada pista.
Los semáforos los controla un operador.
Control de nivel del depósito de agua para apagar posibles incendios
En nuestro ejemplo, se debe
controlar el nivel de agua del depósito principal de agua, que se utiliza en
caso de incendios en el interior del túnel.
Este control se lleva a
cabo con dos pozos (pozo 1 y pozo 2) y dos bombas de agua. Tanto los pozos como
el estanque poseen medidores del nivel del agua, medidores que controlan las
bombas de agua apagándolas y encendiéndolas
Red de ordenadores
La red de ordenadores opera
con un software de automatización SCAUT-3G sobre plataforma UNIX, en una red
TCP/IP.
El sistema opera con una
configuración cliente - servidor de la siguiente manera:
- Un servidor, en el cual está instalado
SCAUT-3G trabajando bajo el sistema operativo UNIX. El servidor tiene como
funciones atender las comunicaciones (de la red y del PLC), mantener
vigente la información en la base de datos en tiempo real, llevar
registros históricos y estadísticos, analizar la información y realizar la
supervisión y controles correspondientes.
- 3 clientes (o más), en los cuales trabajarán las interfaces de operación remotas de los puestos de operadores 1 y 2, y la estación de ingeniería, en un entorno Windows.
Un controlador lógico programable está
constituido por un conjunto de tarjetas o circuitos impresos, sobre los cuales
están ubicados componentes electrónicos.
El controlador Programable tiene la estructura
típica de muchos sistemas programables, como por ejemplo una microcomputadora.
La estructura básica del hardware de un consolador Programable propiamente
dicho está constituido por
-
Fuente de alimentación
-
Unidad de procesamiento central (CPU)
-
Módulos de interfaces de entradas/salidas (E/S)
-
Modulo de memorias
-
Unidad de programación
En algunos casos cuando el trabajo que debe
realizar el controlador es más exigente, se incluyen Módulos Inteligentes.
FUENTE DE ALIMENTACION
La función de la fuente de alimentación en un
controlador, es suministrar la energía ala CPU y demás tarjetas según la
configuración del PLC.
+ 5 V para alimentar a todas las tarjetas
+ 5.2 V para alimentar al programador
+ 24 V para los canales de lazo de corriente 20
mA.
UNIDAD DE PROCESAMIENTO CENTRAL (C.P.U.)
Es la parte más compleja e imprescindible del
controlador programable, que en otros términos podría considerarse el cerebro
del controlador.
La unidad central está diseñada a base de
microprocesadores y memorias; contiene una unidad de control, la memoria
interna del programador RAM, temporizadores, contadores, memorias internas tipo
relé, imágenes del proceso entradas/salidas, etc. Su misión es leer los estados
de las señales de las entradas, ejecutar el programa de control y gobernar las
salidas, el procesamiento es permanente y a gran velocidad.
MODULOS O INTERFASES DE ENTRADA Y SALIDA (E/S)
Son los que proporciona el vínculo entre la CPU
del controlador y los dispositivos de campo del sistema. A través de ellos se
origina el intercambio de información ya sea para la adquisición de datos o la
del mando para el control de maquinas del proceso.
Tipos de módulos de entrada y salida
Debido a que existen gran variedad de
dispositivos exteriores (captadores acueductos), encontramos diferentes tipos
de módulos de entrada y salidas, cada uno de los cuales sirve para manejar
cierto tipo de señal (discreta o análoga) a determinado valor de tensión
o de corriente en DC o AC.
Módulos de entradas discretas
Módulos de salidas discretas
Módulos de entrada analógica
Módulos de salida analógica
MÓDULOS DE MEMORIAS
Son dispositivos destinados a guardar
información de manera provisional o permanente
Se cuenta con dos tipos de memorias,
Volátiles (RAM)
No volátiles (EPROM y EEPROM)
UNIDAD DE PROGRAMACION
Los terminales de programación, son el medio de
comunicación entre el hombre y la máquina; estos aparatos están
constituidos por teclados y dispositivos de visualización
Existen tres tipos de programadores los manuales
(Hand Held) tipo de calculadora, Los de video tipo (PC), y la (computadora).
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