INTRODUCCIÓN A LOS PLC´S PLC´S CAPITULO XI
INTRODUCCION A LOS PLC´S PLCs o Autómatas programables Los PLCs cambiaron la forma de automatizar los procesos industriales gracias a su simplicidad y a sus poderosas poderosas funciones. funciones. En este capítulo conoceremos su funcionamie funcionamiento, nto, arquitectura arquitectura y principales principales aplicaciones en el campo industrial. Un PLC o Autómata programable, es un dispositio programable dise!ado para el control de se!ales el"ctricas asociadas al control autom#tico de procesos industriales, figura $$.$. Es un elemento utilizado ampliamente en empresas de manufactura, plantas de ensamble de e%ículos, plantas productoras de químicos, refinerías de petróleo, elaboración de semiconductores y otras innumerables aplicaciones, en las cuales se requieran operaciones que puedan ser efectuadas directamente por dispositios autom#ticos.
&igura $$.$ Un PLC posee las %erramientas %erramientas necesarias, necesarias, tanto de soft'are soft'are como de %ard'are, para controlar dispositios e(ternos, recibir se!ales de sensores y tomar decisiones de acuerdo a un programa que el usuario elabore seg)n el esquema del proceso a controlar. Lo anterior significa que, adem#s de los componentes físicos requeridos para la adaptación de las se!ales, es necesario disponer de un programa para que el PLC pueda saber q u" es lo que tiene para %acer con cada una de ellas, figura $$.*
&igura $$.* Las entradas pueden recibir se!ales de tipo digital, por e+emplo interruptores, o de tipo analógico, como sensores de temperatura. Estas se!ales son transformadas internamente en se!ales compatibles con los microprocesadores y dem#s circuitos integrados de procesamiento interno.
e igual manera, despu"s que se %a %ec%o el procesamiento de las se!ales y se %an tomado decisiones, el PLC altera sus salidas, inicialmente con se!ales de formato digital y posteriormente a otro formato de acuerdo a los actuadores que se ayan a utilizar, ya sean digitales o analógicos. -odo PLC est# compuesto de tres componentes principales $. Una Unidad Central de Procesamiento /CPU0 *. Un grupo de entradas /10 2. Un grupo de salidas /30
Podemos %acer una analogía entre un PLC y una computadora, figura $$.2 -oda computadora posee una unidad central, la cual contiene un microprocesador, memoria 4A5, etc. 1gual sucede con el PLC, que posee una CPU o unidad central de procesamiento, con uno o arios microprocesadores que se encargan de analizar la información que les llega y de ordenar acciones de acuerdo al programa que tengan instalado.
&igura $$.2 Las computadoras poseen perif"ricos de entrada como teclado, esc#ner, mando para +uegos, etc., así como los PLC6s capturan se!ales de sensores, interruptores, pulsadores y otros. Por su parte, para e+ecutar las acciones que resultan luego de procesar la información, una computadora tiene el monitor donde se muestran los resultados, así mismo, puede tener una impresora y un PLC, por una parte, para entregar los resultados a tra"s de sus salidas, puede tener contactores, releos, electro#lulas, motores, l#mparas, etc. Aunque todos los autómatas poseen los bloques principales mencionados, no todos los tienen dentro de un mismo compartimiento. Es decir, algunos de ellos son compactos, mientras otros son modulares. En los modulares, las entradas pueden ser bloques independientes, incluso arios de ellos, al igual que las salidas, y todos independientes de la Unidad Central de Procesamiento, figura $$.7. Por su parte, los PLCs ompatos, tienen todos sus dispositios electrónicos en un solo compartimiento y no permiten configuraciones especiales, como sí sucede en los modulares, figura $$.8.
&igura $$.7
&igura $$.8
Ar!uitetura interna de un PLC Los autómatas programables est#n compuestos de muc%os bloques internos, dependiendo especialmente de la configuración del mismo. 9in embargo, todos se a+ustan a ciertos elementos b#sicos, figura $$.:, como son &uente de alimentación Unidad central de proceso /CPU0 5emoria 435 5emoria de datos 4A5 5emoria de programa /435, EEP435 o &LA9;0 1nterfaces de Entrada y 9alida
Cone"ión mediante buses 9i el PLC es de tipo modular, los módulos se comunican internamente a tra"s de buses ubicados en el fondo del dispositio o < rac= < donde se ensambla la arquitectura deseada, A%ora, si el PLC es compacto, los buses tambi"n est#n presentes internamente, pero no admiten cone(ión de otros dispositios e(ternos. 3bsere en la figura $$.> la estructura utilizada para la comunicación med iante buses.
Interfaces
CPU
Bus de direcciones Bus de datos
Bus interno del automata
Bus de control Memoria RAM Lectura/Escritura
Memoria ROM Lectura
&igura $$.> ?#sicamente e(isten tres tipos de buses, datos, direiones y ontrol, que son simplemente líneas paralelas de cobre sobre un circuito impreso, con conectores donde se instalan los módulos que an a formar parte del sistema. A continuación conoceremos la función de estos buses
#$ %us de datos. Es el bus encargado de transportar la información que %ace referencia a los datos propiamente dic%os, tales como entradas y salidas.
&$ %us de direiones. Contiene la información del dispositio que es afectado por los datos que '$
actualmente ia+en por el bus de datos. Esto es necesario ya que el bus de datos es el mismo para todos los dispositios, pero no todos ellos deben tener en cuenta a la ez la misma información. %us de ontrol. Es el bus por donde ia+a la información que indica al dispositio seleccionado con el bus de direcciones, lo que debe %acer con los datos que ia+an actualmente por el bus de datos. Por e+emplo, mediante el bus de control se indica si los datos son de entrada o son de salida.
(uente de poder Es la encargada de suministrar el olta+e a todos los módulos que se conecten al PLC, así como a la unidad de procesamiento. 9u función es reducir y adaptar el olta+e de entrada, que es de alores eleados y de corriente alterna, a olta+es de alores m#s ba+os y de corriente directa, figura $$.@
&igura $$.@ 1nicialmente, el olta+e de entrada debe ser reducido a alores m#s mane+ables. Luego, por medio de un rectificador, debe ser conertido de CA a C. Por )ltimo, se deben utilizar reguladores para asegurar la estabilidad en el olta+e de salida, figura $$.
&igura $$.
En algunos casos, la fuente puede ser de tipo conmutada, cuyas principales características son un peso reducido y una alta corriente de salida. El ba+o peso se debe a que no utiliza transformadores oluminosos. ebido a la importancia de un PLC dentro de un proceso autom#tico, la alimentación de su circuitería es de suma importancia, por lo que un buen dise!o debe inolucrar una fuente alterna que permita entrar en funcionamiento cuando se cae el fluido el"ctrico. Con esto, aseguramos que los dispositios electrónicos internos no sufran fallas por picos de sobreolta+e y otros efectos contraproducentes e(istentes en la red de distribución. 3tra opción es mantener la fuente de los PLCs conectada a una UP9 /Uninterruptible Power Supply 0 o fuente ininterrumpida de potencia, la cual suministra el olta+e adecuado, por un tiempo determinado, cuando falla el fluido el"ctrico. Esto ayuda a que el PLC no tenga tantos ciclos de apagado brusco, los cuales pueden ser muy p er+udiciales. En el momento de adquirir un PLC, entre los par#metros a tener en cuenta debemos incluir algunos que %acen mención a la fuente de poder. Los m#s importantes son los siguientes, los cuales se deben a+ustar de acuerdo a las necesidades del proceso y del PLC como tal Bolta+e de entrada 3scila entre $ BAC a *7 BAC Bolta+e de salida Puede estar entre $* BC y *7 BC Corriente de salida Deneralmente entre $ y 2 amperios &recuencia de operación 8 ;z ó : ;z Protecciones 9obrecorrientes y sobreolta+es En la mayoría de los PLCs, la fuente de alimentación est# incluida dentro del mismo compartimiento donde se encuentra la CPU, figura $$.$. En otros casos, la fuente es configurable, permitiendo adaptar los olta+es y las capacidades de corriente, de acuerdo a la necesidad de la aplicación.
&igura $$.$ urante el proceso de programación de los PLCs, cuando se %ace a tra"s de un dispositio programador manual, figura $$.$$, el olta+e de alimentación es suministrado por la misma fuente del PLC, lo que implica que debe tener la capacidad de soportar elementos de cone(ión e(terna. 1nclusie, en muc%os autómatas de alta gama, la fuente de poder suele tener corriente suficiente para alimentar algunos sensores e(ternos, claro est#, de ba+o consumo. La capacidad m#(ima de corriente de la salida de olta+e aparece impresa en los bornes de cone(ión del módulo.
&igura $$.$$ ?loque de terminales de una fuente de PLC. Los autómatas est#n proistos de una serie de bornes de cone(ión que siren para la instalación del cableado necesario para el buen funcionamiento del sistema. Aunque los nombres de los terminales y las funciones proistas difieren de un modelo a otro, en la figura $$.$* podemos apreciar un bloque correspondiente a un PLC típico. A continuación describimos la función de algunos de sus terminales de cone(ión.
&igura $$.$* $.
Alimentaión general 9on los terminales en los cuales se conecta el olta+e de la red. En el caso de alimentación con corriente alterna de una sola fase, se debe diferenciar la línea ia /fase0 de la línea muerta /neutro0. Adicionalmente, e(iste un terminal de cone(ión a tierra física, que debe ser conectada a la tierra general de la edificación donde se a a instalar el PLC, pudi"ndose usar la misma tierra del sistema de computadoras del edificio. 9i el PLC se alimenta con olta+e C, los terminales de alimentación est#n marcados con la polaridad respectia, es decir, positio /0 y negatio /F0.
*.
Tierra lógia. Es un terminal que pone a disposición el punto com)n de cone(ión del sistema lógico de entradas y salidas. 9ire para a%orrar cableado ya que por lo general todos los sensores usan una misma línea com)n.
2.
Arran!ue remoto. 9on dos terminales que al unirlos proocan el arranque del PLC. 9u función es
7.
permitir que a tra"s de un releo, un pulsador, un interruptor u otro dispositio similar distante del PLC, se e+ecute el programa del mismo, tal como si el selector se posicionara en 4UG o 9-A4-. Seleión del )olta*e de alimentaión. Puede ser un interruptor, un puente o un selector, encargado de permitir la selección del olta+e de alimentación. Puede diferir de una región a otra, siendo los m#s comunes $$ BAC y ** BAC.
8.
Suministro e"terno de DC. En muc%os casos, los PLCs est#n proistos de una salida de olta+e C para la alimentación de dispositios e(ternos tales como sensores, unidades de comunicaciones, etc. Esta salida tiene un límite de corriente, que no se debe e(ceder ya que se podrían deteriorar los circuitos internos de la fuente. Esta opción es de gran utilidad, ya que seguramente en muc%as aplicaciones no ser# necesario adquirir una fuente de alimentación adicional.
?atería de respaldo. Los autómatas programables incluyen una batería de respaldo para alimentar la memoria del programa cuando "ste sea desconectado de la alimentación de red, figura $$.$2. -ambi"n puede ser utilizada para el almacenamiento de alg)n tipo de configuración del mismo, en caso de que "sta sea guardada en memoria ol#til.
&igura $$.$2 ic%as baterías son recargables y la operación de carga es efectuada por el mismo equipo en forma autom#tica. El tiempo total de duración oscila entre * y $ a!os, tiempo despu"s del cual deben ser reemplazadas para que el autómata tenga un funcionamiento adecuado. Para el reemplazo, se deben tener en cuenta su tama!o físico, el olta+e nominal y su capacidad en mAH% /miliamperios %ora0, par#metros que deben ser iguales a los de la batería original.
Nota importante Cuando se aya a reemplazar la batería de un PLC, aseg)rese de tener una copia de toda la información que "ste contiene /programa, configuración0, ya que tal operación puede ocasionar la p"rdida total de los datos.
Unidad Central de Proeso Esta es la parte principal de un PLC y es el dispositio encargado de tomar las decisiones de acuerdo al estado lógico de las entradas, de las salidas y del programa que se est" e+ecutando, es decir, lee las se!ales de entrada, las proesa y dependiendo de ello, ambia el estado de las salidas. -ales decisiones dependen del programa /soft'are0 que se %aya dise!ado para el control del proceso.
Est# compuesta principalmente de un microprocesador, figura $$.$7, al que le colaboran una serie de dispositios electrónicos tales como memoria 4A5, memoria 435, circuitos de control de flu+o de datos, etc. Así mismo, la CPU puede tener integrada alguna unidad especial para comunicaciones con dispositios e(ternos tales como impresoras, computadoras personales, programadores manuales, etc., aunque dic%os sistemas de comunicación tambi"n pueden estar en módulos independientes. 3bsere en la figura $$.$8 el diagrama de bloques de una unidad central de proceso de un PLC, y en la figura $$.$: el aspecto físico de una de ellas.
&igura $$.$7
Bus de control Bus de datos Bus de control
Programa Acumulador Registros de pila
ALU
Monitor sistema
Decodicador
Relo" # secuenciador
Bus interno del automata
Contador de programa
Interprete e!terno
Flags
&igura $$.$8
&igura $$.$:
(unionamiento del miroproesador . La función principal del microprocesador es tomar los estados de cada una de las entradas, que ya deben estar en posiciones de memoria llamadas imagen de entradas, interpretar el programa que tenga almacenado en la memoria de programa, analizar el proceso
de acuerdo a dic%o programa, y ordenar la actiación de salidas, tambi"n a tra"s de posiciones de memoria llamadas imagen de salidas, figura $$.$>. En realidad, el microprocesador no se entiende directamente con módulos e(ternos de entradas y salidas, son otros circuitos los que las leen y las ubican en posiciones estrat"gicas de memoria para que "l aya, las analice y escriba los nueos alores que se quieren e+ecutar e(ternamente.
Microprocesador
Modulos de entradas
Imagen de entradas
Imagen de salidas
Modulos de salidas
&igura $$.$> 4ecordemos que una unidad central de proceso est# compuesta principalmente por uno o arios microprocesadores. Por su parte, un microprocesador posee internamente arios bloques que tienen una función específica dentro del proceso de la información, analicemos los m#s importantes.
#$ ALU o Unidad Aritm+tio,Lógia. Es el bloque encargado de e+ecutar todas las operaciones matem#ticas y lógicas durante la e+ecución de un programa. -iene la capacidad de %acer operaciones AG, IE9, G3-, EJ34, sumas, restas, comparaciones, etc.
&$ Aumulador . Es donde se almacena la )ltima operación e+ecutada. Por e+emplo, en una suma, allí quedar# el resultado de la misma. Un microprocesador puede tener arios acumuladores.
'$ %anderas o -lags. 9on indicadores de situaciones especiales luego de una operación cualquiera dentro del microprocesador. Allí aparece si el resultado fue negatio, si fue cero, si %ubo sobre flu+o, si fue mayor, menor, etc. Las banderas se utilizan para monitorear las operaciones que se efect)an con el microprocesador.
.$ Contador de programa o PC. Es el encargado de leer las instrucciones del usuario y la secuencia de e+ecución. Contiene la información del sitio e(acto de la secuencia del programa en e+ecución. Acepta saltos que el mismo programa le indique de acuerdo a situaciones especiales de las entradas y las salidas.
/$ Deodi-iador de instruiones. Es el encargado de e+ecutar las instrucciones que el programa le a indicando, decodificando el contenido de cada una de ellas y suministrando las se!ales de respuesta o de control. 9i el autómata %a sido dise!ado para permitir programas comple+os, lo m#s normal es que tenga arios microprocesadores o arios coprocesadores en una misma CPU. A cada microprocesador se le asigna una tarea específica, logrando un rendimiento superior gracias a la elocidad del proceso y a que todos ellos pueden traba+ar en paralelo ofreciendo arios resultados simult#neamente. Cuando se utilizan coprocesadores, los cuales son procesadores pero con funciones muy específicas, debe e(istir un ente superior, denominado unidad de oordinaión, que se encargue de gobernarlos y sincronizarlos para obtener un funcionamiento correcto de todo el sistema. e igual manera, si se utilizan arios microprocesadores, tambi"n deber# %acer uno de ellos /generalmente el de mayor rendimiento0, que organice a los dem#s y suministre instrucciones de mane+o global, figura $$.$@.
&igura $$.$@ Luces indicadores y selector de modo de operación. La mayoría de las CPU de los autómatas poseen un selector y una serie de luces indicadoras que siren para que el usuario seleccione el modo de operación y isualice el estado actual de funcionamiento.
Nota importante 9e debe tener muc%o cuidado al moer el selector del modo de operación ya que el PLC puede iniciar el proceso autom#tico, lo que pone en riesgo toda la maquinaria y la integridad física de los operarios, si la planta no se encuentra preparada para ello.
0ódulos de entrada 1 salida$ Los módulos de entrada H salida s e diiden b#sicamente en dos grupos K K
5ódulos de entrada H salida discretos. 5ódulos de entrada H salida analógicos.
9e cuenta con una gran ariedad de módulos discretos y analógicos para adaptarlos óptimamente al tama!o del proceso o maquina. Estos pueden ser usados en cualquier combinación de tipo y numero de ellos insertados en las ranuras del c%asis.
0ódulos de entradas disretas o digitales Los instrumentos de campo tales como los interruptores o sensores, enían se!ales de abierto o cerrado al PLC. Estas son se!ales de entrada discretas. Por e+emplo un pus%button, un interruptor, un interruptor de limite, un interruptor de flu+o, un interruptor de niel, un interruptor de presión, un interruptor de pro(imidad.
PU&'BO%%O$ $( A( PU&'BO%%O$ $( C(
&)I%C'
MODULO DE E$%RADA DI&CRE%A
&)I%C' DE $I*EL
&ig. $$.$ ispositios discretos de campo eniando se!ales 3GH3&&.
0ódulos de salidas digitales Las salidas discretas se emplean para girar actuadores de campo a cerrado o abierto, como por e+emplo solenoides, bobinas de contactores, l#mparas, etc. BOBI$A DE REL+
LU, PILO%O MODULO DE &ALIDA DI&CRE%A
CO$%AC%O& DE REL+
LU, I$DICADORA
&ig. $$.* Eniando se!ales discretas a dispositios de campo.
0ódulos de entradas analógias Los instrumentos de campo, tales como los sensores de temperatura, presión o niel enían se!ales que arían su alor %acía el PLC. Estas son las llamadas se!ales de entrada analógicas. Una entrada analógica es una se!al e l"ctrica de un sensor de campo que aría de acuerdo al cambio de las condiciones del proceso.
&ig. $$.*$ -anque transmisor de niel eniando se!ales analógicas.
0ódulos de salidas analógias Las se!ales de salida analógicas son usadas para controlar y ariar la elocidad de motores, bombas u otros equipos que cuentan con un r ango de operación.
%RA$&DUC%OR MODULO DE &ALIDA
I/P
*AL*ULA DE CO$%ROL DE FLU-O
&ig. $$.** Eniando se!ales ariables a dispositios en campo.
Carater2stias generales de un sistema basado en PLC$ Modular: El sistema debe estar constituido por módulos electrónicos con los que se pueda estructurar una arquitectura lo mas apegado posible a las necesidades y tama!o del proceso a controlar para %acerlo optimo. Escalable: ebe permitir la e(pansión del control en el futuro sin necesidad de cambiar lo instalado. Adem#s, debe permitir la inclusión de tecnologías nueas sin tener que desec%ar la estructura b#sica instalada.
ebe de ser un sistema distribuido permitiendo diidir las se!ales del proceso en #reas geogr#ficas, instalando para ello, unidades remotas. Esto eita que la centralización de se!ales en un solo lugar a%orrando considerable cantidad de tubería conduit, cable y mano de obra de instalación. Configurable: eben tener una disponibilidad amplia de módulos de entrada, salida y procesadores con diferentes capacidades para que se adapten en forma optima al tama!o y características del proceso que se a a controlar. Programación abierta: ebe permitir que el usuario sea capaz de modificar adicionar o eliminar puntos de su proceso sin tener que depender del fabricante o distribuidor del sistema de control. Resistente ba!o consumo de energ"a: Go deben requerir condiciones especiales de temperatura ambiental y %umedad para poder ubicarlos lo m#s cercano al proceso, y el consumo de energía debe ser ba+o para que puedan operar con celdas solares si el proceso así lo requiere.
