PLC_U1

CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES | Unidad 1. Antecedentes

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ÍNDICE OBJETIVO GENERAL............................................... OBJETIVO GENERAL........................................................................................3 .........................................3 INTRODU INTR ODUCCIÓN CCIÓN GENERAL................................................ GENERAL.............................................................................4 .............................4 UNIDAD 1. ANTECEDENTES.................................. ANTECEDENTES............................................................................5 ..........................................5 OBJETIVO..................... OBJETIV O..................................................... ................................................................. .....................................................6 ....................6 INTRODUCCIÓN...............................................................................................7 1. Evolución Histórica......................................................................... Histórica..........................................................................................9 .................9 1.1 Historia de la automatización y primer PLC..........................................9 1.1.1. Primeras máquinas...........................................................9 1.1.2. Época–Pre PLC, llegada de la electricidad .......................10 1.1.3. Hito histórico: Primer PLC- 1970..................................13 1.2. Automatización industrial – Evolución histórica a la Flexibilidad......14 1.3. Clasificación según la norma ISA-95................................................20 1.3.1. Niveles ISA-95..............................................................20 1.3.2. Descripción de los niveles................. niveles..............................................22 .............................22 1.3.3. Comunicación entre niveles.............. niveles...........................................25 .............................25 2. PLC. Controlador Lógico Programable......... Programable............................................................26 ...................................................26 2.1. ¿Qué es un PLC? PLC?...................................................................... .............................................................................26 .......26 2.2. Elementos de un PLC.............................................. PLC......................................................................27 ........................27 2.2.1. Procesador PLC............................................. PLC.............................................................28 ................28 2.2.2. Memoria.......................................................................30 2.2.3. Fuente de alimentación..................................................31 2.2.4. Módulos de Entrada/Salida............................................32 2.2.5. Dispositivos de Programación....................................... Programación.........................................34 ..34 2.3. Ventajas y desventajas del uso del PLC...................................... PLC.............................................36 .......36 2.4. Campos de aplicación del PLC.......................................... PLC........................................................37 ..............37 Conclusión........................................ Conclusión................ ................................................ ................................................ ........................................42 ................42 Fuentes de consulta................................................................................. consulta...........................................................................................43 ..........43 Sitios sugeridos................................... sugeridos..................................................................................................44 ...............................................................44 Glosario............................................................................................................45 2


ÍNDICE OBJETIVO GENERAL............................................... OBJETIVO GENERAL........................................................................................3 .........................................3 INTRODU INTR ODUCCIÓN CCIÓN GENERAL................................................ GENERAL.............................................................................4 .............................4 UNIDAD 1. ANTECEDENTES.................................. ANTECEDENTES............................................................................5 ..........................................5 OBJETIVO..................... OBJETIV O..................................................... ................................................................. .....................................................6 ....................6 INTRODUCCIÓN...............................................................................................7 1. Evolución Histórica......................................................................... Histórica..........................................................................................9 .................9 1.1 Historia de la automatización y primer PLC..........................................9 1.1.1. Primeras máquinas...........................................................9 1.1.2. Época–Pre PLC, llegada de la electricidad .......................10 1.1.3. Hito histórico: Primer PLC- 1970..................................13 1.2. Automatización industrial – Evolución histórica a la Flexibilidad......14 1.3. Clasificación según la norma ISA-95................................................20 1.3.1. Niveles ISA-95..............................................................20 1.3.2. Descripción de los niveles................. niveles..............................................22 .............................22 1.3.3. Comunicación entre niveles.............. niveles...........................................25 .............................25 2. PLC. Controlador Lógico Programable......... Programable............................................................26 ...................................................26 2.1. ¿Qué es un PLC? PLC?...................................................................... .............................................................................26 .......26 2.2. Elementos de un PLC.............................................. PLC......................................................................27 ........................27 2.2.1. Procesador PLC............................................. PLC.............................................................28 ................28 2.2.2. Memoria.......................................................................30 2.2.3. Fuente de alimentación..................................................31 2.2.4. Módulos de Entrada/Salida............................................32 2.2.5. Dispositivos de Programación....................................... Programación.........................................34 ..34 2.3. Ventajas y desventajas del uso del PLC...................................... PLC.............................................36 .......36 2.4. Campos de aplicación del PLC.......................................... PLC........................................................37 ..............37 Conclusión........................................ Conclusión................ ................................................ ................................................ ........................................42 ................42 Fuentes de consulta................................................................................. consulta...........................................................................................43 ..........43 Sitios sugeridos................................... sugeridos..................................................................................................44 ...............................................................44 Glosario............................................................................................................45 2


OBJETIVO GENERAL Al finalizar el curso, el participante: Identificará la evolución del control automático desde sus orígenes hasta el control control flexible basado en los PLC, PLC, también sabrá qué es, cómo funciona y los componentes que lo integran (arquitectura). Distinguirá los diferentes módulos de los que consta, determinará su aplicación en el control automático de procesos y utilizará las funciones básicas de programación en lenguaje de escalera como son: temporizadores, comparadores y funciones aritméticas.

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INTRODUCCIÓN GENERAL La evolución de los procesos de manufactura a partir de mediados del siglo XX, su búsqueda constante en la mejora de éstos, adicionalmente la productividad y competitividad sobre todo por los países asiáticos como Japón, Corea y actualmente China, así como la constante búsqueda de las empresas en la reducción de costos ante el incremento de la materia prima, demanda la mejor tecnología en los procesos de control de estos procesos. Tecnología Tecnología de control que reduzca costos, sea más confiable y posea una mantenibilidad muy alta. En años anteriores al Tratado de Libre Comercio (TLC), la planta productiva en México se mantenía arcaica y en algunos casos casi obsoleta. Por lo cual, la apertura comercial demandó al país que las plantas de manufactura que quisieran competir en el mercado se actualizarán y buscaran tecnología para modernizarse. Algunas de estas tecnologías son el uso de los Controladores Lógicos Programables (PLC) (PLC) para el control de procesos. Por tal motivo, en este curso se identificará en qué consiste un sistema de control basado en Controladores C ontroladores Lógicos Lógicos Programables (PLC) (hardware & software), software), qué determina determina su uso y su aplicación en diferentes ejemplos de sistemas de control haciendo uso de las funciones y facilidades de programación básicas. Todo lo anterior, bajo el concepto de seguridad y confiabilidad que demandan los sistemas de control hoy en día.

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UNIDAD 1. ANTECEDENTES

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OBJETIVO Al finalizar la unidad 1, el participante: Identificará el origen de los PLC, su definición, arquitectura básica, componentes, funciones, así como los diferentes campos de aplicación de manera que le permitan evaluar la ventaja o desventaja de su utilidad en cualquier proceso que se desee automatizar.

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INTRODUCCIÓN La historia del ser humano está marcada por continuos y graduales descubrimientos, además de la creación de nuevos inventos. Día a día su ingenio y la creatividad han hecho automatismos para facilitar las cosas. Desde el principio, siempre se han desarrollado herramientas y mecanismos que ayuden a realizar una tarea, se aprendió a hacer fuego para calentar, se hicieron cuchillos a partir de rocas para tajar la carne, se descubrió la rueda y facilitó el trasportar las cosas. A través de las escrituras se obtuvo otra forma de comunicación, de conocer la historia y de preservar el conocimiento adquirido, es decir, siempre se ha estado en continua evolución. Las palancas y las poleas para mover grandes pesos, fuentes de energía como los resortes, el caudal del agua o vapor canalizado con el fin de originar movimientos simples y repetitivos, dieron origen a los primeros autómatas que datan posiblemente desde el año 300 a. C, éstos primeros fueron figuras con movimiento, reproducción de piezas musicales o juegos. Posteriormente, en la Revolución Industrial, aparece como protagonista la máquina de vapor (motor de combustión externa), junto con el ferrocarril y las máquinas textiles como la Spinning Jenny, una hiladora multi-bobina que disminuyó en gran parte el trabajo que se necesitaba para la producción de hilo, (con esta máquina un sólo trabajador podía manejar ocho o más carretes al mismo tiempo), gracias a máquinas como ésta y la producción en serie, la cual consistía en simplificar tareas complejas en varias que pudiera llevar a cabo cualquier trabajador, sin necesidad de ser mano de obra calificada, aumentaron enormemente la capacidad de producción, reduciendo los costos y tiempos de fabricación.

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En la medida que se alcanza en el tiempo y se desarrollan más tecnologías, muchas de ellas se aplican en la Automatización Industrial. Mecánica, Electricidad, Electrónica, Sistemas, Neumática, Hidráulica e Instrumentación, han ayudado a mejorar la productividad y eficiencia de los procesos, es ahí donde a partir del desarrollo de la electrónica se hizo posible el desarrollo de controles automatizados digitales, tales como el PLC (Controles Lógicos Programables), el CNC (Control Numérico Computarizado) y las HMI (Interfaz Hombre Máquina). Lo anterior, será abordado en la primera unidad, conformando de esta manera las bases para sustentar los argumentos técnicos que se utilizarán para el desarrollo y programación del proyecto.

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1.

Evolución Histórica

1.1 Historia de la automatización y primer PLC 1.1.1. Primeras máquinas Desde hace siglos, el hombre ha ido construyendo máquinas para facilitar su trabajo o aumentar su productividad, se realizaron tareas repetitivas o en los que requirieran gran fuerza física. Hasta la generalización del uso de la electricidad, dichas máquinas fueron aumentando en complejidad mecánica. Palancas, poleas, correas o ruedas dentadas transformaban movimientos de las diferentes partes de la máquina para crear la acción deseada. Ejemplos de este tipo de maquinaria se encuentran principalmente con el desarrollo de la industria textil a finales del siglo XIX o la máquina de vapor.

Figura 1. Máquina para confeccionar cigarros (Siglo XIX)

Dichas máquinas, basadas únicamente en la mecánica contaban con una funcionalidad fija y limitada solamente con una fuente de potencia (hidráulica, vapor, tracción animal). 9


1.1.2. Época–Pre PLC, llegada de la electricidad El uso de la electricidad no sólo mejoró la generación de potencia para las máquinas, sino que introdujo las bases del control industrial. Contactos accionados por la propia mecánica de la máquina actuaban sobre motores actuadores. Esta tecnología electromecánica fue ampliándose con la aparición de multitud de componentes individuales que ofrecían nuevas funcionalidades: relés multicontacto, contactores, temporizadores, cajas de levas, etcétera. Gracias a estos componentes ya era posible diseñar secuencias de eventos complejos que en la práctica simplificaban el diseño mecánico de las instalaciones. Por ejemplo, en la Figura 2 se puede ver cómo, para una sola secuencia de arrancar y parar un motor con dos pulsadores, se necesitaba un relé de dos circuitos, con un cableado relativamente complejo para una sola actuación.

Figura 2. Circuito pulsador Marcha/Paro

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Como se puede ver en la Figura 3, los controles industriales resultantes de esta tecnología estaban compuestos por multitud de pequeños componentes electromecánicos unidos por un cableado complejo. Esto dificultaba enormemente su modificación y mantenimiento.

Figura 3. Época Pre-PLC

En este sentido, la monitorización de las instalaciones se realizaba a través de pilotos, indicadores de aguja, contadores con control histórico manual o basados en impresoras de papel continuo. El uso de la electricidad dio la capacidad de desarrollar en la primera mitad del siglo XX lo que se llamaría la “Automatización Dedicada”. Esta tecnología se basa en el uso de relevadores y contactores, que hasta no hace mucho tiempo era la única manera de implementar sistemas de control. Esto nos permitió pasar de un control 100% humano a sistemas de control automático dedicado por relevadores. (Véase Figura 4).

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Figura 4. Control humano vs control automático dedicado

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1.1.3. Hito histórico: Primer PLC- 1970 A instancias de la industria automovilística americana, partió la iniciativa para el diseño de un control programable multiuso que pudiera simplificar el diseño de cuadros eléctricos: una CPU que actuará sobre salidas según un programa preestablecido y los datos proporcionados por las entradas. Es así como, en 1970, aparece el primer PLC (Programmable Logic Controller), MODICON 084. También llamado en español “Autómata Programable”. El PLC es un controlador que permite ejecutar programas que tiene como inputs, señales eléctricas provenientes de la instalación a controlar y como outputs salidas digitales o analógicas que activan elementos de la misma como motores, válvulas o resistencias. Las posibilidades de programación del MODICON 084 eran bastante limitadas. La escritura del programa se realizaba a través de un pequeño teclado y un display numérico mediante el lenguaje Ladder (por su semejanza con una escalera de mano) que intentaba emular los circuitos eléctricos utilizados hasta el momento.

Figura 5. Primer PLC. Modicon 084

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Las características básicas de ese PLC inicial y que, en general, todavía mantienen todos los dispositivos de campo en la automatización industrial son:

• Robustez: adaptadas para entorno industrial con temperaturas altas, humedad, polvo, etcétera. • Arranque rápido: la carga del sistema operativo y del programa se produce en unos pocos segundos. • Estabilidad software: normalmente con sistema operativo propio, con pocas actualizaciones y diseñado primando la estabilidad del software sobre la rapidez del proceso. • Sin piezas móviles: sin dependencia de discos duros, lectores de CD o componentes susceptibles de avería mecánica.

1.2. Automatización industrial – Evolución histórica a la Flexibilidad A partir del hito de la aparición del PLC Modicon 084, se pasó de tener Sistemas de control dedicados o “Automatización Dedicada” a lo que se llama hoy en día “Automatización Flexible”. Es decir, de tener un Control Automático de procesos difíciles de modificar, implementado para un fin específico, que demandaba espacios grandes, difícil de mantener y mucho cableado se pasó a un Control Flexible que permite cambios y programación rápida y adaptable a diferentes aplicaciones sin mucha inversión. A partir del Modicon y su aplicación en la industria Automotriz (GM-Modicon) la automatización y el control industrial han avanzado ininterrumpidamente saliendo al mercado infinidad de dispositivos y soluciones que abarcan todos los campos de actuación; desde pequeñas unidades con una sencilla configuración, a unidades modulares con inteligencia distribuida capaces de controlar decenas de miles de entradas/salidas.

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Aunque pareciera que el desarrollo se ha centrado en la automatización industrial con la aparición del PLC; no se centra sólo en ellos, sino que existen otros dispositivos, aplicaciones o soluciones como RTU, SCADA, DCS, EMS, MES, (ver glosario), con diferentes funcionalidades como la recogida de datos, control, visualización, tracking, que se irán viendo más adelante. Las capacidades de los dispositivos también han aumentado de una forma exponencial, tanto en cálculo y rapidez, disminuyendo el tiempo del ciclo de ejecución del programa de unas décimas de segundo a milisegundos; como instaurando nuevas posibilidades de programación, con nuevos lenguajes; y especialmente en conectividad, sustituyendo los clásicos puertos serie RS-232 por puertos Ethernet o USB. Más adelante se hablará de esta conectividad, la facilidad de su programación, sus distintos lenguajes aplicados a los PLC, su arquitectura, sus módulos y programación. A fin de cuenta se verá que el PLC es una computadora industrial y al igual que las computadoras de escritorio, laptops y tabletas los tiempos de procesamiento, memorias, conectividad y facilidad de interacción con sus aplicaciones han ido de la mano con las nuevas tecnologías y el desarrollo de la electrónica (llámese procesadores, memorias y dispositivos de entrada/ salida).

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Figura 6. Desarrollo Histórico Automatización

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A continuación, se citan algunos ejemplos de instalaciones automatizadas aumentando en cada caso la complejidad de las prestaciones y, por tanto, las de la solución de control:

• Montacargas: un PLC compacto controla, a través de pulsadores y detectores el destino, la posición de las puertas y la posición del montacargas activando las correspondientes salidas de alimentación de motores y pilotos. El motor principal del montacargas es controlado por un variador de frecuencia con funcionamiento autónomo. • Máquina de envasado pequeña: un PLC compacto controla a través de sus entradas y salidas el proceso de envasado. Monitorización a través de una pantalla de operador HMI (Human Machine Interface). • Depuradora de aguas residuales: PLC modular con entradas, salidas e instrumentación conectada a través de un bus de campo. Monitorización a través de un programa SCADA. • Depuradora de aguas potables: pareja de PLC con redundancias de proceso, entradas y salidas a través de buses de campo. Monitorización a través de un programa SCADA. Algunos depósitos remotos se controlan a través de RTU que transmiten los datos al control central. • Línea de envasado de refrescos: un PLC modular por máquina individual (lavadora de botellas, llenadora, etiquetadora, paletizadora, etcétera), intercambia datos de proceso con los PLC de las otras máquinas. La monitorización de alarmas se realiza a través de pantallas HMI. En cambio, la monitorización general del proceso se hace a través de una PC con programa SCADA y conexión a un sistema MES que controla la producción y tiempos de paro de máquina.

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• Planta química: un control DCS, que integra en un mismo conjunto diferentes dispositivos de control, instrumentación y producción, gestiona todos los aspectos de la automatización: parametrización de dispositivos, control del proceso, recetas, lotes de producción, trazabilidad, etcétera. Los diferentes elementos citados en estos ejemplos serán tratados con mayor profundidad en temas posteriores. Los ejemplos anteriores sólo muestran un pequeño ámbito de los entornos donde se puede encontrar elementos de automatización industrial. Hoy en día cualquier proceso productivo o maquinaria es susceptible de incorporar dispositivos de control desde una empresa de manufactura con producción discreta, como por ejemplo la automovilística; que se basa en procesos continuos, como la química o farmacéutica; el control de infraestructuras como plantas potabilizadoras o depuradoras de aguas; así como en la distribución de electricidad, agua, gas o en grandes instalaciones como parques de atracciones, aeropuertos o edificios.

Figura 7. Beneficios históricos del PLC

El ámbito de aplicación de la automatización industrial se extiende a todos los sectores industriales e infraestructuras con diferentes soluciones tecnológicas dependiendo del tamaño, complejidad o prestaciones demandadas por la instalación. 18


Figura 8. Historia del PLC

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Si deseas ahondar en la historia del desarrollo del PLC visita el siguiente vínculo: https://prezi.com/ntnbfn0wd_lc/evolucion-del-plc/

1.3. Clasificación según la norma ISA-95 Para presentar todos estos elementos se utilizará la clasificación realizada por la “International Society of Automation” (ISA), organismo que agrupa a más de 30 mil miembros con el objetivo de delimitar los principales estándares industriales, en su norma ISA-95 que regula la automatización industrial.

1.3.1. Niveles ISA-95 La ISA-95 define 5 niveles de operaciones en la automatización industrial:

• Nivel 0: el propio proceso productivo. 20


• Nivel 1: los propios dispositivos que procesan y manipulan el producto en sí (robots, actuadores, instrumentación). Normalmente los dispositivos PLC y DCS se incluyen en este nivel aunque, dependiendo del grado de automatización de una organización, también es frecuente que se ubiquen en el siguiente. Los DCS también se ubican en este nivel, ya que combinan tecnologías de control (los propios controladores) con el software de supervisión ligado a dichos controladores de proceso. • Nivel 2: los dispositivos que monitorizan y controlan el proceso productivo (HMI, SCADA). • Nivel 3: los dispositivos que controlan el work flow, las recetas del proceso productivo y que almacenan toda la información sobre el mismo (MES, Batch, Historian, LIMS). • Nivel 4: el nivel que contiene la infraestructura de logística, inventario, ERP o planificación.

Figura 9. Niveles ISA-95

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1.3.2. Descripción de los niveles a) Nivel 0

Engloba el propio proceso productivo b) Nivel 1

En este nivel se encuentran los elementos que adquieren los datos de planta y los que actúan sobre la cadena. Dependiendo de su complejidad, pueden disponer de una sencilla conexión a la entrada de un PLC; como un simple pulsador, o necesitan de una compleja parametrización vía un bus de campo, como un sensor de presión avanzado. Dentro del apartado de sensoria se pueden encontrar dispositivos para la medida de cualquier unidad: niveles de líquido en un tanque, temperaturas del producto en un reactor, presión del aire en el circuito, luminosidad, caudal, presencia de impurezas. El costo de la instrumentación utilizada en una instalación industrial, como en el caso de una planta química, puede ser superior al de los dispositivos de control.

Figura 10. Instrumento para el control de la temperatura

Figura 11. PLC Compacto

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A este nivel también pertenecen los PLC y DCS que mediante programas de control procesan los datos de entrada. Mientras que los PLC son dispositivos compactos, los DCS suelen disponer de una arquitectura distribuida con diferentes CPU de control. Los dispositivos de este nivel requieren de una programación específica. En su diseño es prioridad la robustez contra las duras condiciones ambientales de la industria. También se incluyen en este nivel las RTU que permiten la adquisición remota de datos para traspasarlos a los elementos de Nivel 2.

Figura 12. RTU con múltiples opciones de comunicación

c)

Nivel 2

Aunque ya se ha mencionado que se pueden encontrar PLC en este nivel, habitualmente el nivel 2 se identifica con la capa de supervisión y control de proceso, ya sea localmente (es decir, desde los interfaces de operador que incluyen las máquinas) o centralizadamente (a través de centros de control que se construyen sobre lo que se llama soluciones SCADA). Cuando se realiza una supervisión y control local, se utilizan normalmente las pantallas HMI, aparatos compactos para la visualización de procesos.

Figura 13. Pantalla HMI de 5.4 pulgadas

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Cuando se realiza una supervisión centralizada, se utilizan los programas SCADA, con base en computadoras, que además de la simple visualización del proceso de los HMI pueden incorporar funcionalidades avanzadas como Data Logging, control de alarmas, gestión de usuarios o comunicación con los sistemas del siguiente nivel. d)

Nivel 3

Desde este nivel se controla el flujo de la producción, recetas y cantidades. También el almacenamiento de la información de producción como lotes, trazabilidad, productividad, calidad, etcétera. En este nivel se sitúan los controladores Batch, que realizan parte del control del proceso de recetas (programas específicos de un producto), principalmente en industrias químicas, farmacéuticas y estampado de partes.

Figura 14. PCs en control industrial

e)

Nivel 4

Este nivel corresponde al nivel más alto de la gestión, controlando la programación de la producción de una o varias plantas de una empresa, el uso de materiales, inventario y logística. Desde este nivel, la dirección ejecutiva obtiene una visión general del funcionamiento de las mismas a todos los niveles (eficiencia, económicos, logísticos) de manera que puede tomar las decisiones oportunas sobre su funcionamiento.

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1.3.3. Comunicación entre niveles La comunicación entre los diferentes niveles y elementos se realiza a través de diversos medios físicos, protocolos y estilos de integración. Algunos ejemplos de estos protocolos, que se analizarán con detalle en próximos temas, son:

• Profibus, el cual proporciona su propio hardware de transmisión para comunicar entradas y salidas remotas con el PLC. • Modbus, soportado por diferentes medios (RS-232. RS-485, encapsulado TCP) para una comunicación entre PLC y SCADA o en el caso de los estilos de integración, la que se realiza mediante middleware orientado a mensajes (MOM) o servicios (SOA). Esta norma como otras de la IEEE se enfoca en definir los estándares de comunicación a utilizar por los diversos fabricantes de PLC y sus medios o protocolos de comunicación desde nivel sensor hasta un sistema de fábrica virtual.

Figura 15. Protocolos industriales

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2.

PLC. Controlador Lógico Programable 2.1. ¿Qué es un PLC?

La palabra PLC es el acrónimo de Controlador Lógico Programable (en inglés Programmable Logic Controler). PLC es una computadora digital diseñada para procesar múltiples arreglos de entrada/salida, rangos de temperatura extendidos (amplios), inmunes a los ruidos eléctricos y resistentes a la vibración e impacto. Un PLC es un ejemplo de un “Sistema de Tiempo Real”. Específicamente se puede definir como un dispositivo digital electrónico con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones, permitiendo la implementación de funciones específicas como pueden ser lógicas, secuenciales, temporizadas, de conteo y aritméticas; con el objeto de controlar máquinas y procesos. También se puede definir como un equipo electrónico, el cual realiza la ejecución de un programa de forma cíclica que puede ser interrumpida momentáneamente para realizar otras tareas consideradas como prioritarias, pero el aspecto más importante es la garantía de ejecución completa del programa principal. Estos controladores son utilizados en ambientes industriales donde la decisión y la acción deben ser tomadas en forma muy rápida, para responder en tiempo real. Los PLC son utilizados donde se requieran tanto controles lógicos como secuenciales o ambos a la vez.

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Figura 16. Controlador Lógico Programable

2.2. Elementos de un PLC La arquitectura interna de un PLC se refiere a los componentes, hardware o circuitería electrónica que lo componen, así como al funcionamiento de cada uno de ellos. Todos los sistemas basados en PLC constan de cinco componentes básicos internos que son: CPU o Unidad de Procesamiento Central, fuente de alimentación, módulo de entrada y módulo de salida; y de un componente externo, que es el dispositivo de programación que se encarga de programar las instrucciones, como se muestra en la Figura 17.

Figura 17. Arquitectura PLC

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Como se puede observar básicamente un PLC tiene la configuración típica de una computadora pero con características especiales que soportan los medios ambientes de procesos en piso de una fábrica. Como son resistencia al calor, durabilidad, robustez, etcétera. Los PLC constan de los siguientes componentes esenciales en su arquitectura: PROPIOS DEL PLC

EXTERNOS AL PLC

{ {

•

Hardware

•

Software

• • •

Actuadores Sensores Equipo programador

2.2.1. Procesador PLC La Unidad Central de Proceso o CPU, recibe los datos de entrada, realiza decisiones lógicas basadas en el programa de usuario y energiza las salidas de acuerdo con ello. Está basada principalmente en un microprocesador o microcontrolador. También coordina todas las tareas del PLC, tales como: • Ejecución del programa • Cálculos lógicos y aritméticos • Diagnóstico • Control de los módulos de entrada y salida • Comunicación con dispositivos externos El procesador constituye el módulo principal, ya que tiene que realizar la gestión de ordenar y organizar la comunicación entre las distintas partes que conforman al PLC (Ver Figura 18). 28


Figura 18. Arquitectura PLC

El CPU contiene y ejecuta el programa del usuario, que consiste en una serie de instrucciones que representa el proceso de control lógico que debe ejecutarse. Para poder hacer este trabajo, la unidad central de proceso debe almacenar las condiciones de entrada y salida más recientes (Ver Figura 19).

Figura 19. El cerebro de la Unidad Central de Proceso

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2.2.2. Memoria La memoria del procesador almacena el programa de usuario, los datos de entrada y salida, los valores de los temporizadores, contadores y cualesquiera que sean las constantes de control del programa (véase figura 20). Los cuatro tipos de memoria más comunes para un PLC son:

• EPROM: Memoria de sólo lectura programable eléctricamente. • EEPROM: Memoria de sólo lectura programable y borrable eléctricamente. • RAM: Memoria de acceso aleatorio. • Flash: Está basada en las memorias EEPROM que permite el borrado bloque a bloque, es más barata y densa.

Figura 20. Memoria flash

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2.2.3. Fuente de alimentación Su función es la de proveer la energía necesaria para la operación del PLC y todos los módulos respecto al voltaje y corriente. Los PLC traen integrada una fuente de alimentación capaz de abastecer de potencia el módulo base o principal, los módulos de expansión y otras cargas externas que requieran alimentación. En ocasiones la corriente suministrada por la fuente principal no es capaz de satisfacer la corriente demandada por la configuración que se necesita instalar, por lo que es necesario colocar una fuente de alimentación externa. La fuente de alimentación típica es de 120 o 240 VCA y convierte esos voltajes a +5 VCD, *12VCD o 24 VCD para los requerimientos de los diferentes módulos del PLC, así como para los dispositivos de entrada y salida de campo (véase figura 21). En algunos PLC el módulo de CPU ofrece alimentación de 24 VCD y 5VCD, para: • Suministrar un voltaje de 24 VCD a sensores, puntos de entradas locales y bobinas de relevadores en los módulos de expansión. Si el consumo de 24 VCD es mayor a la corriente que aporta el módulo de la CPU, entonces es necesario añadir una fuente de alimentación externa de 24 VCD para cubrir la demanda de corriente de la aplicación. • Suministrar un voltaje de 5 VCD a los módulos de expansión que están conectados al módulo principal. Si el consumo de 5 VCD supera la corriente suministrada por la fuente de la CPU, entonces es necesario añadir una fuente de alimentación externa de 5 VCD.

Figura 21. Fuente de poder PLC

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2.2.4. Módulos de Entrada/Salida Constituyen el segundo grupo funcional y son módulos electrónicos cuya función es adquirir información del exterior necesaria para accionar los dispositivos de salida de campo, con el propósito de traducirla a códigos digitales entendibles por el módulo de procesamiento, para su manipulación, análisis y almacenamiento. Esta interfaz o estructura se diseña en general para que sea modular, fácil de reemplazar y sencilla de expandirse, es por ello que también se le conoce como módulo de E/S. Es importante mencionar que en los PLC pequeños esta condición no se cumple, ya que la fuente de alimentación, el procesador y la interfaz de entrada y salida vienen integrados en un sólo módulo. Esto depende del fabricante y también de las necesidades de usuario para escoger el mejor elemento para el proceso a controlar.

• Interfaz de entrada. La interfaz de entrada provee una interfaz eléctrica entre los dispositivos de entrada y los circuitos de control lógico internos del procesador (véase figura 22). Los dispositivos de entrada incluyen botones, interruptores de límite, interruptores de presión, sensores, etcétera. • Interfaz de salida. La interfaz de salida provee el medio para usar las señales de bajo voltaje del procesador, por ejemplo: 5 o 12 VCD para energizar un dispositivo de salida (figura 23). Esto se efectúa por medio de un relevador electromagnético o un fototransistor. Los dispositivos de salida incluyen lámpara piloto, relevadores, alarmas, display digitales, arrancadores de motor, válvulas solenoides, etcétera.

Figura 22. Entradas y Salidas

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Estos módulos se encargan de realizar la intercomunicación entre los dispositivos exteriores al PLC y los circuitos electrónicos de baja potencia que conforman a la Unidad Central de Proceso del PLC. Están constituidos por tarjetas de circuitos impresos que contienen dispositivos capaces de aislar al PLC con el entorno exterior, además de contar con indicadores luminosos que informan de manera visual el estado que guardan las entradas y salidas. En los bornes de conexión de estos módulos de (E/S) están conectadas las señales de los sensores y actuadores, que vigilan y manipulan el proceso que se está controlando.

Figura 23. Módulos de salida

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2.2.5. Dispositivos de Programación Estos dispositivos generalmente son externos al PLC aunque en la actualidad algunos de éstos lo incorporan como parte integral del mismo. Permite al programador introducir las instrucciones del programa de usuario a la memoria del PLC. En la figura 24 se muestran dispositivos típicos para programar los PLC, los cuales se pueden clasificar de la siguiente manera: • Terminal de programación del fabricante, con el software respectivo y conectado al PLC mediante una interfaz (ya no son muy usadas salvo en equipos que todavía están trabajando muy antiguos. Ejemplo: PLC2 de A-B). • Programador de mano conectado directamente al PLC. • Computadora portátil (laptop) cargada con el softwarede programación y conectada al PLC mediante una interfaz. Por su Dimensiones y peso es muy usada o requerida por los técnicos de mantenimiento, fácil de transportar y conectar directo al PC vía una interfaz de comunicación. • Computadora personal (PC/Desktop) cargada con el software de programación y conectada al PLC mediante una interfaz. Con las mismas facilidades de comunicación que la Laptop, pero más usada en aplicaciones fijas como líneas supervisoras en piso y conectada a los PLC vía un medio de comunicación propio del fabricante o abierto como es el Ethernet. • Programador de mano (hand-Held) conectada al PLC mediante una interfaz. • La interfaz utilizada generalmente es la interfaz serie RS-232, RS-422 o RS485 en los más antiguos; hoy en día son muy utilizados los enlaces Ethernet o las propias redes del fabricante (ejemplo Data Highway o Profibus).

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Figura 24. Terminal de Programación PLC

Para visualizar la aplicación de PLC en los diferentes procesos industriales puedes ver el siguiente vínculo: https://www.youtube.com/watch?v=i2NR0J1PNFU

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2.3. Ventajas y desventajas del uso del PLC Debido a la gran cantidad de fabricantes de PLC, hay una gran variedad de modelos en el mercado. Sin embargo, no todos ofrecen las mismas ventajas y desventajas sobre los sistemas de cableados con relevadores electromagnéticos y de estado sólido. Considerando lo anterior, en la siguiente tabla se enumeran las condiciones favorables y desfavorables, en forma general, de un PLC cuando se compara con las alternativas antes mencionadas.

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2.4. Campos de aplicación del PLC El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software han hecho que se amplié para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. Hoy en día donde los procesos de automatización han evolucionado desde el nivel de piso o campo hasta el nivel de control global de empresa (ERP), pasando del nivel de campo con los sensores, el uso del PLC o redes de PLC se ha convertido en una herramienta básica de control (véase figura 25).

Figura 25. Niveles de Automatización

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Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización entre otros, por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc. Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etcétera, hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como: • • • • • • • •

Espacio reducido Procesos de producción periódicamente cambiantes Procesos secuenciales Maquinaria de procesos variables Instalaciones de procesos complejos y amplios Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso Instalaciones de seguridad Señalización y control: • Chequeo de programas • Señalización del estado de procesos

Es por esto que hoy día con la evolución de los sistemas de control, materialmente no existe alguna área de Procesos en el cual no pueda aplicarse, satisfaciendo las necesidades que tiene el campo industrial en las siguientes áreas: •

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Procesos de Maniobra • Procesos en la industria refresquera • Procesos en la industria mueblera • Procesos en la industria de plástico • Procesos de la industria del vidrio


•

•

•

• Procesos de la industria textil y de confección • Procesos en la industria automotriz (aquí nació) • Procesos de ensamblaje Procesos de control e instrumentación • Calderas • Aire Acondicionado • Calefacción • Refrigeración • Seguridad Procesos en Batch o lote • Columnas de destilación • Mezcladores Otros • Petroquímicas • Alumbrado público • Semáforos • Automatización de edificios • Automatización residencial

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Figura 26. Aplicaciones de PLC

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Para profundizar en la aplicación de PLC en los diferentes procesos industriales se sugiere ver en el siguiente vínculo: https://prezi.com/21cu3kgwe8wk/aplicaciones-de-los-plc/

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Conclusión El uso de Controladores Lógicos Programables (PLC) brinda una amplia variedad de opciones para desarrollar proyectos de control en una extensa gama de procesos, sean estos continuos o discretos. Las ventas de confiabilidad, repetitividad y mantenibilidad ampliamente superan la desventaja de alto costo inicial y el valor de capacitación del personal. Las formas, funciones de programación y ejemplos serán cubiertos durante las siguientes unidades.

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Fuentes de consulta • Mandado, Enrique. (2009). Autómatas programables y sistemas de automatización. Editorial Marcombo. • Ordaz García, Ubaldo. (2009). Controladores lógicos Programables. Trillas. • Sternerson, Jon. (1999). Fundamentals of programable controllers, sensors, and Comunications. Prentice Hall • Rehg, James A. (2009). Programmable logic controllers. Prentice Hall. • Tubbs, Stephen P. Programmable Logic Controller (PLC) Tutorial, Siemens Simatic. Pennsylvania USA. • Petruzella, Frank D. (1998). Programmable Logic Controllers. Glencoe McGraw-Hill • Rockwell Automation. Programmable Automation Conttrollers. Recuperado en 2017, de: http://www.rockwellautomation.com/ global/products/programmable-controllers/overview.page?

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Sitios sugeridos • Siemens. Automatización Industrial. Recuperado en 2017, de: http:// w5.siemens.com/cms/mam/industry/automatizacion/Pages/ control-y-automatizacion-industrial.aspx • Siemens. Unique automation portfolio. Recuperado en 2017, de: https://www.siemens.com/global/en/home/products/automation. html • ISA. Sección Española. Recuperado en 2017, de: http://www.isa-spain. org/ • PLCdev. Schneider Electric Modicon History. Recuperado en 2017, de: http://www.plcdev.com/schneider_electric_modicon_history

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Glosario • CNC. Como definición de Control Numérico en un carácter más amplio,

se puede decir que es todo dispositivo, generalmente electrónico capaz de dirigir posicionamientos de uno o varios elementos mecánicos móviles, de tal forma que las órdenes relativas a sus desplazamientos son elaboradas en forma automática a partir de datos numéricos y simbólicos definidos por un programa. • CPU. Siglas de Central Process unit. Unidad Central de Procesamiento

o Procesador, encargada de realizar el procesamiento aritmético y lógico. • Distributed Control System. Sistema de control distribuido es una

colección de computadoras independientes que aparece a los usuarios del sistema como una única computadora. • EEPROM. Siglas de Electrically-Erasable Programmable Read-Only

Memory. Es un tipo de memoria programable y borrable eléctricamente, a diferencia del EPROM que borra con rayos UV. • ERP. Siglas de Enterprise Resource Planning. Es un sistema integral de

gestión empresarial que está diseñado para modelar y automatizar la mayoría de procesos en la empresa (área de finanzas, comercial, logística, producción, etcétera). • Energy Management System. Sistema de gestión o administración

de energía. • EPROM. Siglas de Erasable Programmable Read-Only Memory.

Memoria ROM programable eléctricamente y borrable con rayos UV.

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• Ethernet. Es uno de los estándares de redes de computadora. • MES. Siglas de Manufacturing Execution System. Sistema de ejecución

de fabricación o también conocido como Factory Information System, es un sistema computarizado de gestión de procesos a nivel planta. • Hardware. Vocablo utilizado para englobar toda la circuitería

electrónica y partes físicas de una computadora o PLC. • HMI. Siglas de Human Machine Interface o Interfaz Hombre -Máquina.

Los sistemas HMI podemos pensarlos como una “ventana” de un proceso. Esta ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o en una computadora. • Interfaz. Puerto o circuito físico a través del cual se envían o reciben

señales de un sistema a otro. • PLC. Siglas de Controlador Lógico Programable. Es una computadora

industrial diseñada para ambientes industriales que sirve para automatizar máquinas y procesos. • RAM. Siglas de Random Access Memory o memoria de acceso aleatorio.

Es una memoria utilizada para escritura y lectura. Su contenido es borrado al desenergizarse. • Remote Terminal Unit. Unidad Terminal Remota o unidad de telemetría

remota. • Sensor. Dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o

químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. • Supervisory Control and Data Acquisition. Control por supervisión

y adquisición de datos Transductor. Es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de señal de entrada, en otra diferente de salida. (Ejemplo. De señal eléctrica a señal de presión). 46

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