Estructura y Programacion Del PLC

ESTRUCTURA Y PROGRAMACION DEL PLC

UNIDAD 2

Aplicaciones de automatización con plc

PLC. Control Logic Progamable

Las empresas de hoy, que piensan en el futuro, se encuentran provistas de modernos dispositivos electrónicos en sus maquinas y procesos de control. Hoy las fábricas automatizadas deben proporcionar en sus sistemas, alta confiabilidad, gran eficiencia y flexibilidad. Una de las bases principales de tales fábricas es un dispositivo electrónico llamado Controlador Lógico Programable. Este dispositivo fue inicialmente introducido en 1970 y se ha sido refinando con nuevos componentes electrónicos, tales como Micro-procesadores de alta velocidad, agregándole funciones especiales para el control de proceso más complejos. Hoy los Controladores Programables son diseñados usando lo último en diseño de Micro-procesadores y circuitería electrónica lo cual proporciona una mayor confiabilidad en su operación en aplicaciones industriales donde existen peligro debido al medio ambiente, alta repetitividad, altas temperaturas, ruido ambiente o

eléctrico, suministro de potencia eléctrica no confiable, vibraciones mecánicas etc.

Este medio ambiente es el que el Control Lógico Programable se encuentra en su

elemento, ya que fue diseñado y concebido para su uso en el medio ambiente industrial.


Los Controladores Lógicos Programables, PLC como ellos son comúnmente llamados, ofrecen muchas ventajas sobre otros dispositivos de control tales como relevadores, temporizadores electrónicos, contadores y controles mecánicos como del tipo tambor. El objetivo es mostrar el funcionamiento interno y de programación de este tipo de controladores, además de mostrar algunas de sus aplicaciones en la industria, también realizar una serie de prácticas para que pueda iniciarse en esta apasionante rama de la

automatización.

Un autómata programable industrial (API) o Programable logic controller (PLC), es un

equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en

tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales.

Un PLC trabaja con base en la información recibida por los sensores y el programa lógico

interno, operando sobre los actuadores de la instalación.

COMO FUNCIONA UN PLC

Como toda computadora, el PLC posee una CPU, Memoria, periféricos, etc. La CPU,

también llamada unidad central de proceso es la encargada de ejecutar el programa

almacenado en la memoria por el usuario. Podemos considerar que la CPU toma, una a

una, las instrucciones programadas por el usuario y las va ejecutando. Cuando llega al

final de la secuencia de instrucciones programadas, la CPU vuelve al principio y sigue

ejecutándolas de manera cíclica. Como se dijo, la memoria almacena el programa de

aplicación o del usuario, pero además guarda el estado de variables internas del

programa como por ejemplo número de piezas procesadas o máxima temperatura

medida.


Los periféricos constituyen la interfaz entre el PLC y el sistema controlado. Son como

mínimo entradas y salidas lógicas (o sea capaces de tomar solo dos valores: 1 ó 0,

abierto o cerrado, presente o ausente) y pueden también, dependiendo de la sofisticación

de cada PLC, incluirse entradas y salidas analógicas (o sea, capaces de tomar cualquier

valor entre determinados máximo y mínimo) o entradas especiales para pulsos de alta

frecuencia como los producidos por encoders.

ESTRUCTURA DE LOS PLC’s

El PLC, es entonces, la mejor opción que tenemos para la solución al control de circuitos complejos de automatización. Pero, si nuestro proceso no es tan complejo ¿por qué debemos de utilizar un PLC y no un control clásico por medio de relevadores?

Bueno, si nuestro proceso no es tan complejo puede que tenga una o varias de las siguientes necesidades:

• Procesos de producción que cambian continuamente. • Espacio reducido. • Maquinaria con procesos variables. • Chequeo continuo de las partes del sistema. • Continúa adquisición de datos para un estudio del proceso.

Por estas razones el PLC, sigue siendo la mejor opción y porque la mayor ventaja que nos proporciona un PLC, es que, si hay que variar el proceso, basta con cambiar el programa introducido en él. Otras ventajas que también nos proporciona son:

• Tiene la robustez necesaria para trabajar en ambientes industriales. • Ocupa un espacio mínimo. • Su mantenimiento es económico. • Puede expandirse en forma modular, dependiendo de las necesidades de la

aplicación.


• Incorpora funciones avanzadas de cálculo. • Requerimos de menor tiempo de puesta en marcha del proyecto o proceso.

• Tenemos la posibilidad de controlar varias máquinas con el mismo PLC.

Conocemos muchas marcas de PLC’s existentes en el mercado y cada fabricante provee a su controlador de características especiales, tanto en software (para programación, comunicación, interconexión, etc.), como en hardware (como procesadores más potentes y más veloces que puedan manejar un mayor número de entradas y/o salidas, módulos especiales, etc.). Pero la estructura de todos estos controladores es muy similar y la

podemos dividir en estructura externa y estructura interna para un mejor estudio.

Estructura Externa.

Todos los PLCs, poseen una de las siguientes estructuras:

a) COMPACTA, es decir, en un solo bloque se encuentran la CPU, la fuente de alimentación, la sección de entradas y salidas, y el puerto de comunicación, este tipo de PLC se utiliza cuando nuestro proceso a controlar no es demasiado complejo y no

requerimos de un gran número de entradas y/o salidas ó de algún módulo especial.


Las siguientes figuras nos muestran la estructura clásica que sigue éste tipo de PLC.

b) MODULAR, que se divide en:

1. Estructura Americana.- En la cual se separan los módulos de entrada/salida del resto del PLC.

2. Estructura Europea.- Cada módulo realiza una función específica; es decir, un módulo es el CPU, otro la fuente de alimentación, etc.

En ambos casos, tenemos la posibilidad de fijar los distintos módulos (Estructura Modular) o el PLC (Estructura Compacta) en raíles normalizados.


Estructura Modular

Entonces, de forma general un PLC podría estar compuesto, dependiendo de las necesidades de nuestro proceso a controlar, por los siguientes elementos:

a. Módulo o fuente de alimentación. b. Unidad central de proceso (más

comúnmente llamado procesador). c. Módulos de entrada. d. Módulos de salida. e. Dispositivos periféricos como módulos

de comunicación, módulos expansores de memoria, o nuevos módulos de entrada /salida.

f. Interfaces para la comunicación del PLC con otros dispositivos,

computadoras u otros controladores.

Terminal o unidad de programación, que nos permite introducir, modificar y supervisar el programa contenido en la memoria del controlador.


Estructura Interna.

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

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:


¿Qué pasa dentro del PLC?

Unidad de entrada

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.


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 PROM o 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

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.

: 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.


Interfaces de estado solido

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.

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 reemplazado 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.


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

Algunas medidas que deben tenerse en cuenta para reducir el acoplamiento del ruido eléctrico son:

, originado por las fuentes de alimentación, acoplamientos magnéticos y acoplamientos electrostáticos.

• 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.

SELECCIÓN E INSTALACION

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 de interfaz hombre-maquina

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 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.

Modulo 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.

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