Curso de Controladores Lógicos Programables

¿ Que es un Controlador Lógico Programable?  Un Controlador Lógico Programable

(Programable Logic Controler “PLC”), es un dispositivo digital utilizado para el control de máquinas y operación de procesos.

Es un aparato digital electrónico con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones permitiendo la implementación de funciones específicas como: lógica, secuencias, temporizado, conteo y aritmética; con el objeto de controlar máquinas y procesos.

Un Controlador Programable consta de 3 elementos principales:

El primero es el procesador, la unidad central de proceso del controlador programable. El procesador o CPU (Central Processing Unit) es el “cerebro” del controlador programable. Una vez que un programa (en la forma de diagrama de escalera) es introducido en el procesador, éste reside en la memoria hasta que sea cambiado por el usuario.

El segundo elemento principal es la estructura de entrada / salida (E/S). Esta provee la interfase entre la CPU y el proceso o maquinaria. La adición de los microprocesadores ha aumentado las posibilidades de simples funciones ON/OFF hasta hacer posible generación de reportes, control analógico, etc..

El tercer elemento es el equipo de programación.

Estructura de un PLC Para poder interpretar la estructura de un PLC utilizaremos un

sencillo diagrama en bloques. En la figura se muestran las tres partes fundamentales: las

entradas, la unidad central de procesos (CPU) y las salidas.

La CPU Es el cerebro del PLC, responsable de la

ejecución del programa desarrollado por el usuario. Es la unidad principal de coordinación de todas las funciones o recursos de los distintos Procesadores Periférico, Procesador de entrada /salida, Procesador de Comunicaciones, Unidad de Memoria y Fuente de alimentación.

La CPU se comunica con las interfases de I/O por medio de un bus paralelo, que incluye un bus de datos y un bus de direcciones. Adicionalmente, un bus de alimentación provee alimentación eléctrica a las interfases de I/O.

Las Entradas (interfases o adaptadores de

Entrada) se encargan de adaptar señales provenientes del campo o niveles que la CPU pueda interpretar como información. Las señales del campo pueden implicar niveles y tipos de señal eléctrica diferentes a los que maneja la CPU.

Las EntradasA las entradas se conectan sensores que pueden ser:

Pulsadores Llaves Termostatos Presostatos Límites de carrera Sensores de Proximidad Otros elementos que generan señales

binarias (ON-OFF)

Las Salidas (interfases o adaptadores de Salida)

comandan dispositivos de campo en función de la información enviada por la CPU.Las salidas comandan distintos equipos, por ejemplo:

Lámparas. Sirenas y Bocinas. Contactores de mando de Motores. Válvulas Solenoide. Otros elementos comandados por señales

binarias.

Ejemplo de Encendido y Apagado de una lámpara a través del PLC

Clasificación de los PLC’s Si deseamos establecer una clasificación de PLC’s, podemos considerar distintos aspectos:

Por su Construcción Integral. Modular.Por su Capacidad Nivel 1: Control de variables discretas y

pocas analógicas, operaciones aritméticas y capacidad de comunicación elementales.

Clasificación de los PLC’s  Nivel 2: Control de variables discretas y

analógicas. Matemáticas de punto flotante. E/S inteligentes. Conexión en red. Gran capacidad de manejo de datos analógicos y discretos.

Por Cantidad de E/S Micro PLC (hasta 64 E/S). PLC pequeño (65 a 255 E/S). PLC mediano (256 a 1023 E/S). PLC grande (más de 1024 E/S).

Clasificación por Construcción La clasificación por su construcción

distingue a los PLC’s que integran todas sus partes (E/S, CPU, Fuentes; Puertos de Comunicación, etc.) en una misma caja o gabinete, de los que están formados por módulos.

PLC integral Es aquel que integra todas sus partes en

una misma caja o gabinete. Se suele utilizar también la denominación de Compacto, pero la aparición de PLC’s modulares de pequeño tamaño hace que ésta resulte inadecuada.

El PLC integral suele tener muy pocas E/S, clasificándose en general como micro PLC.

PLC modular Como su nombre lo indica, está formado

por módulos. El equipo se arma sobre un bastidor o base de montaje (también llamada chasis o rack) en el cual se instalan la CPU, los módulos de entrada, los módulos de salida y otros periféricos.

El chasis contiene en su parte posterior los buses de datos, direcciones y alimentación del PLC, con conectores apropiados a los que se conecten los distintos módulos.

PLC modular Por la forma que tienen estos módulos, es

usual que se les denomine “tarjeta”. Así es muy frecuente encontrar la frase “tarjetas de entrada / salida en referencia a los módulos de entrada / salida.

La principal ventaja de un PLC modular frente a uno integral es evidente: el usuario puede componer su equipo con la cantidad y tipo de entradas y salidas que necesite, y luego puede ampliarlo agregando los módulos necesarios.

Clasificación por Capacidad La clasificación por capacidad

distingue dos niveles, en función de la complejidad de las instrucciones que el PLC puede manejar.

El nivel 1 identifica a un PLC con instrucciones sencillas y no muy potentes.

Clasificación por Capacidad El nivel 2 identifica a los PLC’s con

funciones de mayor complejidad.Algunas de las aplicaciones que podemos encontrar en un PLC de nivel 2, y que en general no estarán en un PLC de nivel 1 son: raíz cuadrada, logaritmo, antilogaritmo, aritmética de doble precisión y de punto flotante, funciones trigonométricas, diferenciación e integración, lazos PID, etc.

Clasificación por Cantidad de E/S La clasificación por cantidad de E/S es

arbitraria. A pesar de ello, este parámetro es el indicador que habitualmente define el PLC. Los fabricantes ofrecen características tales como capacidad de memoria, operaciones aritméticas, etc., en directa relación a la cantidad de entradas y salidas que el controlador puede manejar.

Entradas y Salidas Las entradas y salidas son los

elementos del PLC que lo vinculan al campo. En el caso de las entradas, adaptan las señales de sensores para que la CPU las reconozca. En el caso de las salidas, activan un circuito de conexión (transistor, triac o relé) ante una orden de la CPU.

Tipos de Entradas y Salidas Discretas: También llamadas digitales,

lógicas, binarias u “on-off ”, pueden tomar solo dos estados. La denominación de digital es más común que las discretas, aún cuando es incorrecta, ya que todas las funciones de un PLC, incluidas las E/S, son digitales.

Analógicas: Pueden tomar una cantidad de valores intermedios dentro de un cierto límite, dependiendo de su resolución. Por ejemplo: 0 a 10 Vcc, 4 a 20 mAcc, etc.

Tipos de Entradas y Salidas Especiales: Son variantes de las

analógicas, como las entradas de pulso de alta frecuencia, termocuplas, RTDs, etc.

Inteligentes: Son módulos con procesador propio y un alto grado de flexibilidad para su programación. Durante su operación intercambian datos con la CPU.

Entradas Discretas

Existe una variada gama de alternativas para éstos módulos, con lo que se puede optar por módulos con distintas cantidades de entradas y para distintos niveles de voltaje; las más comunes son: 24 Vcc, 24 Vca, TTL (5 Vcc), 110 Vca, 220 Vca, etc..

Entradas Discretas

La estructura típica de una entrada discreta puede separarse en varios bloques por donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0 o un 1 lógico para la CPU. Estos bloques son:

Rectificador: En el caso de una entrada de corriente alterna, convierte la señal en continua. En el caso de una señal de corriente continua, limita o impide daños por inversión de polaridad.

Entradas Discretas

Acondicionador de señal: Elimina ruidos eléctricos, detecta los niveles de señal para los que conmuta el estado lógico (umbral en on-off), y lleva la tensión al nivel manejado por la CPU.

Entradas Discretas

Indicador de estado: En general se dispone de un indicador luminoso por canal, que está encendido mientras exista tensión en la entrada, y apagado en caso contrario. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si la tarjeta y su comunicación con la CPU no presentan fallas.

Entradas Discretas

Aislamiento: Las entradas de la mayor parte de los PLC’s son opto aisladas para que, en caso de sobre tensiones externas, el daño causado no afecte más que a ese punto, sin perjudicar el resto de la tarjeta ni programarse al resto de PLC.

Circuito lógico de entrada: Es el encargado de informar a la CPU el estado de la entrada cuando ésta la interrogue.

Salidas Discretas Al igual que en el caso de las

entradas discretas, la estructura típica de una salida discreta puede separarse en varios bloques por donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0 o un 1 lógico para la CPU. Estos bloques son:

Salidas Discretas

Circuito lógico de salida: Es el receptor de la información enviada por la CPU.

Aislamiento: Cumple una función análoga a la aislación de una tarjeta de entradas discretas.

Salidas Discretas Indicador de estado: generalmente se

utiliza un indicador de estado por canal, que se enciende cuando la salida está cerrada, y se apaga cuando está abierta. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si la tarjeta y su comunicación con la CPU no presentan fallas.

Salidas Discretas

Circuito de conexión: Es el elemento de salida a campo, que maneja la carga conectada por el usuario. Como veremos luego, se dispone de tres opciones de circuitos de conexión: transistor, triac y relé.

Salidas Discretas Protección: Puede consistir en un fusible

en serie con los contactos de salida, una protección electrónica por sobrecarga, o circuitos RC (resistivos-capacitivos), para eliminar picos generados por la naturaleza de la carga, en el caso de que ésta sea inductiva y la alimentación sea en corriente continua.

Entradas Analógicas La principal tarea de una tarjeta de

entrada analógica es precisamente la de convertir un valor analógico en un número de formato binario, por medio de un conversor A/D.

Una entrada analógica con un conversor de 8 bits podrá dividir un rango de 4 a 20 mA. en 256 valores. En cambio, con un conversor de 12 bits, tendrá que dividir el rango en 4096 valores. A lo anterior se le denomina Resolución.

Entradas Analógicas Se define justamente como Resolución al

mínimo cambio que un conversor puede discriminar en su entrada.

En la estructura de una entrada analógica podemos distinguir las siguientes partes básicas:

Protección: Impide daños al módulo y al resto del PLC por conexión con polaridad invertida o fuera del rango permitido.

Entradas Analógicas Filtro Analógico: Elimina posibles ruidos

que ingresen por la instalación. Básicamente consiste en un filtro pasabajos, que permite que las señales de baja frecuencia lleguen al conversor A/D, evitando el paso de las señales de alta frecuencia.

Multiplexado: Esta etapa consiste en un selector que envía un canal de entrada por vez al conversor A/D.

Entradas Analógicas

Conversor A/D: Es el encargado de transformar la señal analógica en un número binario interpretable por la CPU.

Aislación: En algunos equipos se dispone de opto-aisladores luego de conversor A/D, para separar la CPU del campo.

Entradas Analógicas Buffer: Memoria donde se almacenan los

valores que provienen del conversor, mientras éste opera sobre los demás canales. Aquí es donde la CPU lee los valores numéricos convertidos.

Las señales de entrada pueden ser por tensión o por corriente; en este último se utiliza una resistencia calibrada donde se mide la caída de tensión. Los valores comunes de señal son 4 a 20 mA., 1 a 5 Vcc, -5 a +5 Vcc ó 0 a 10 Vcc.

Salidas Analógicas El concepto básico de funcionamiento es

inverso al de una entrada analógica. Aquí la CPU emite un número binario a través del bus de datos, que debe convertirse en una señal analógica de corriente o de tensión.

Para las salidas analógicas valen las mismas consideraciones sobre resolución y exactitud explicadas para las entradas analógicas.

Salidas Analógicas A diferencia del módulo de entradas

analógicas, es frecuente que en el de salida analógica se disponga de un conversor D/A por canal.

Los módulos de salidas analógicas ofrecen 2, 4 ú 8 canales, en tensión o en corriente. La composición en bloques de un módulo de salida analógica incluye:

Salidas Analógicas

Buffer: Memoria donde la CPU escribe los valores binarios a convertir por el conversor, mientras éste opera sobre los demás canales.

Aislación: Optoaislación para separar la CPU del campo.

Salidas Analógicas Conversor D/A: Es el encargado de

transformar el número binario enviado por la CPU en una señal analógica.

Protección: Se encarga de impedir daños al módulo por conexión con polaridad invertida o fuera del rango permitido.

Entradas / Salidas BCD Muchos PLC’s pueden interpretar como

números BCD (Binary Coded Decimal) las señales presentes en grupos de entradas discretas, o decodificar valores numéricos desde la CPU y convertirlos en un número BCD en salidas discretas. En la codificación BCD, cada cifra del sistema es representada por un número binario de cuatro cifras, desde 0000 (en correspondencia con el 0), hasta el 1001 (en correspondencia con el 9).

Entradas / Salidas BCD Esto permite conectar al PLC dispositivos

tales como llaves BCD, teclados de ingresos de datos y displays que utilicen esta codificación.

Para la implementación de E/S del tipo BCD pueden utilizarse módulos de E/S discreta, con una adecuada programación, o módulos especiales diseñados para este fin.

Entradas / Salidas Especiales Dentro del sistema de E/S de un PLC

se pueden instalar módulos dedicados a tareas especiales que no pueden ser resueltas eficientemente por la CPU. Así es que podemos encontrar algunos módulos denominados especiales, como los siguientes:

Entradas / Salidas Especiales

Entradas de termocuplas: incluye un microprocesador para linealización de la señal de entrada, y una junta fría para compensación.

Entradas de RTD: Incluye un microprocesador para linealización de la entrada.

Entradas / Salidas Especiales

Entrada de pulsos de alta velocidad: El tiempo que le insume a la CPU resolver el programa del usuario hace que ésta no pueda leer pulsos de alta velocidad. Estos módulos poseen un procesador dedicado a esta función y pueden dar señales al campo y a la CPU al alcanzar valores prefijados.

Módulos Inteligentes Con el objeto de descargar a la CPU

de tareas que le insumen un tiempo que no es aceptable, o para las que ésta no está preparada, se dispone de módulos inteligentes.

Algunos de estos módulos cuentan con sus propias E/S, mientras que otros aprovechan la estructura de E/S que ofrece el PLC.

Módulos Inteligentes Los módulos inteligentes poseen un

procesador propio que funciona en forma asincrónica con el de la CPU. Ambos procesadores intercambian datos a través de la capacidad del módulo inteligente de leer y escribir ciertas posiciones de la memoria de la CPU principal. En algunos casos, la cantidad de datos que un módulo inteligente puede intercambiar con la CPU principal está limitada por el diseño del módulo.

Módulos Inteligentes Algunos de estos módulos inteligentes son:Módulo BASIC: Programable en lenguaje

BASIC, posee uno o varios puertos de comunicación RS-232 ó RS-422.

Módulo PID: Este módulo resuelve uno o varios lazos PID en forma separada de la CPU principal. La configuración de os lazos se efectúa desde la CPU principal o directamente a través de un puerto RS-232 ó RS.422 que el módulo posee.

Módulos Inteligentes

Módulo ASCII: Almacenan mensajes que pueden emitirse a través de sus puertos de comunicaciones por orden del programa de la CPU principal.Módulo de posicionamiento: Es una combinación de un módulo contador de alta velocidad con salida para motores. Se utilizan para resolver lazos de posicionamiento en aplicaciones de control numérico o robótica.

Módulos Inteligentes

Módulo computador integrado: Son verdaderas computadoras, con teclado, pantalla, impresoras, conexión en red y almacenamiento masivo (ya sea en los clásicos discos rígidos o en disco RAM que emulan un disco rígido utilizando memoria RAM).Módulos de comunicación: Son módulos inteligentes especialmente dedicados a tareas de comunicación.

Unidad Central de Procesos (CPU) La CPU (Central Processing Unit) es la

unidad principal de coordinación de todas las funciones o recursos de los distintos procesadores periféricos, procesador de I/O, procesador de comunicaciones, unidad de memoria y fuente da alimentación.

La CPU de un PLC está compuesta por dos partes fundamentales: el procesador y la memoria. Pueden contener también otros elementos, como puertos de comunicación, o incluso la fuente de alimentación.

Unidad Central de Procesos (CPU)

Fuente de alimentación

Es la unidad encargada de suministrar los voltajes requeridos por la CPU, tarjetas especiales, procesadores periféricos y los módulos de E/S local.

Existen 2 tipos de fuentes: internas y externas.

Procesador de Entradas y Salidas El procesador de I/O es el encargado de

administrar el flujo de datos de lectura desde las celdas de entrada hacia la unidad central de procesos (CPU), y los datos de escritura desde la CPU hacia las celdas de salida, es decir realiza una interfase entre la CPU y las celdas que contienen los módulos de I/O, ya sean éstos locales o remotos.

La figura siguiente muestra en forma esquemática el procesador de I/O y su entorno.

Diagrama de un Procesador de I/O y su entorno

Procesador de Comunicaciones El procesador de comunicaciones, es el

encargado de proporcionar la interfase física y lógica de comunicación requerida, como también administrar el flujo de datos desde y hacia la CPU con os equipos periféricos conectados a los puertos de comunicación.

En el caso de los PLC’s Modicon, proporcionan típicamente 2 interfases:

Procesador de Comunicaciones

Interfase Serial RS-232 en protocolo Modbus: Destinada a operar como interfase de configuración, programación y monitoreo de la aplicación del PLC a través de un computador con software Modsoft, Lmodsoft o supervisor de PLC Factory Link u otros.

Interfase de red del tipo RS-422 en protocolo Modbus Plus (MB+): Destinada a la implementación de una red local de control industrial (LAN).

Procesador de Comunicaciones

La figura siguiente nos muestra un diagrama básico de un procesador de comunicaciones.

Procesador

El procesador tiene como tarea principal ejecutar el programa de aplicación escrito por el usuario. También cumple con otras tareas importantes, como ser la de administrar las tareas de comunicación y ejecutar programas de autodiagnóstico.

Los PLC’s más sencillos poseen un solo procesador, pero en la medida que su capacidad de control aumenta pueden tener varios procesadores dedicados a tareas específicas como resolución de lazos, comunicaciones, diagnósticos, etc..

Procesador Las tareas asignadas al procesador

son ejecutadas por éste secuencial incesantemente mientras el equipo está conectado a la alimentación. Esta secuencia se denomina Barrido o Scan.

Una secuencia típica de Barrido o Scan se muestra a continuación:

Procesador Consultar el estado de las entradas y

almacenar éstos estados en la memoria. Resolver el programa de aplicación. Atender las comunicaciones con módulos

inteligentes. Atender las comunicaciones de los puertos

de la CPU. Ejecutar un auto diagnostico. Actualizar las salidas a partir de los

resultados almacenados en la memoria. Volver a empezar el ciclo. El tiempo que

necesita el procesador para llevar a cabo éste ciclo se denomina tiempo de Barrido o Scan time.

Memoria Es la encargada de almacenar la

aplicación de control, los datos calculados o asignados, funciones básicas y el Firmware ejecutivo del sistema.

La unidad de memoria se compone de dos partes, una RAM (CMOS RAM), y una memoria ROM.

La memoria RAM es la porción de memoria donde se almacena la configuración del sistema, la aplicación, los datos calculados y los prefijados.

Memoria La memoria RAM puede ser dividida de la

siguiente forma: RAM de Estado (State RAM), que almacena todos los datos o valores de las variables programadas y configurables. RAM de Usuario (Usser Logic), que contiene todo el programa de aplicación. Típicamente la configuración del sistema ocupa entre 800 y 1500 palabras de memoria, dependiendo de la cantidad de Drops y módulos de I/O.

Memoria La memoria total de un equipo tiene

distintas zonas en las que se almacenan datos:

Área de programas de aplicación o memoria de usuario

Registro de E/S discretas Registro de E/S analógicas Registro de temporizadores y contadores Registro de variables Área auxiliar (Scratch pad) Sistema Operativo

Descripción del SOFTWARE El Software propiamente tal de un

controlador programable lo conforma su set de instrucciones, pero antes de conocer éste set de instrucciones, veremos un punto que se asocia con el Software, este es, la capacidad de memoria.

Descripción del SOFTWARE

Capacidad de Memoria. Recordemos que las tareas (las cuales llamaremos “programas”) que se desea que realice el controlador programable quedan almacenadas en una unidad llamada memoria, por lo tanto, de lo anterior se desprende que el tamaño del programa que puede resolver un controlador programable estará directamente relacionado con la capacidad de memoria de éste.

Descripción del SOFTWAREUtilización de Memoria.El programa lógico ingresado, se almacena en la memoria de usuario en sucesivas palabras de memoria.La lógica se almacena siguiendo el número de la red, con la red del número más bajo en las direcciones de memoria más bajas.Cada elemento de la red (contacto, bobina) hace uso de una palabra de memoria, los contadores y temporizadores hacen uso de dos palabras de memoria, las funciones aritméticas y otras, hacen uso de tres palabras de memoria y las conexiones verticales, por cada columna, hacen uso de una palabra de memoria.

Descripción del SOFTWARE

A modo de ejemplo ¿cuánta cantidad de memoria ocupa la siguiente red de la figura?