Control Industrial: Funcionamiento de un PLC (Programable Logic Controller), Apuntes de Electrónica

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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 funciones. En este capítulo conoceremos su funcionamiento, arquitectura y principales aplicaciones en el campo industrial.

Un PLC o Autómata programable, es un dispositivo programable diseñado para el control de señales eléctricas asociadas al control automático de procesos industriales, figura 11.1. Es un elemento utilizado ampliamente en empresas de manufactura, plantas de ensamble de vehículos, 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 dispositivos automáticos.

Figura 11.

Un PLC posee las herramientas necesarias, tanto de software como de hardware, para controlar dispositivos externos, recibir señales de sensores y tomar decisiones de acuerdo a un programa que el usuario elabore según el esquema del proceso a controlar. Lo anterior significa que, además de los componentes físicos requeridos para la adaptación de las señales, es necesario disponer de un programa para que el PLC pueda saber qué es lo que tiene para hacer con cada una de ellas, figura 11.

Figura 11.

Las entradas pueden recibir señales de tipo digital, por ejemplo interruptores, o de tipo analógico, como sensores de temperatura. Estas señales son transformadas internamente en señales compatibles con los microprocesadores y demás circuitos integrados de procesamiento interno.

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 varios de ellos, al igual que las salidas, y todos independientes de la Unidad Central de Procesamiento, figura 11.4. Por su parte, los PLCs compactos , tienen todos sus dispositivos electrónicos en un solo compartimiento y no permiten configuraciones especiales, como sí sucede en los modulares, figura 11.5.

Figura 11.

Figura 11.

Arquitectura interna de un PLC

Los autómatas programables están compuestos de muchos bloques internos, dependiendo especialmente de la configuración del mismo. Sin embargo, todos se ajustan a ciertos elementos básicos, figura 11.6, como son: ‰ Fuente de alimentación ‰ Unidad central de proceso (CPU) ‰ Memoria ROM ‰ Memoria de datos RAM ‰ Memoria de programa (ROM, EEPROM o FLASH) ‰ Interfaces de Entrada y Salida

Batería

Bus interno

Memoria del programa

Fuente de alimentación

Interfaces de entrada

Interfaces de salida

Unidad central de proceso CPU

Memoria de datos

Memoria imagen E/S

Temporizador

Contadores

Figura 11.

Conexión mediante buses

Si el PLC es de tipo modular, los módulos se comunican internamente a través de buses ubicados en el fondo del dispositivo o “ rack “ donde se ensambla la arquitectura deseada, Ahora, si el PLC es compacto, los buses también están presentes internamente, pero no admiten conexión de otros dispositivos externos. Observe en la figura 11.7 la estructura utilizada para la comunicación mediante buses.

Bus interno del automata

CPU Interfaces

Memoria ROM Lectura

Bus de direcciones Bus de datos

Bus de control

Memoria RAM Lectura/Escritura

Figura 11.

Básicamente existen tres tipos de buses, datos , direcciones y control , que son simplemente líneas paralelas de cobre sobre un circuito impreso, con conectores donde se instalan los módulos que van a formar parte del sistema. A continuación conoceremos la función de estos buses:

1. Bus de datos. Es el bus encargado de transportar la información que hace referencia a los datos propiamente dichos, tales como entradas y salidas. 2. Bus de direcciones. Contiene la información del dispositivo que es afectado por los datos que actualmente viajen por el bus de datos. Esto es necesario ya que el bus de datos es el mismo

En algunos casos, la fuente puede ser de tipo conmutada, cuyas principales características son un peso reducido y una alta corriente de salida. El bajo peso se debe a que no utiliza transformadores voluminosos.

Debido a la importancia de un PLC dentro de un proceso automático, la alimentación de su circuitería es de suma importancia, por lo que un buen diseño debe involucrar una fuente alterna que permita entrar en funcionamiento cuando se cae el fluido eléctrico. Con esto, aseguramos que los dispositivos electrónicos internos no sufran fallas por picos de sobrevoltaje y otros efectos contraproducentes existentes en la red de distribución.

Otra opción es mantener la fuente de los PLCs conectada a una UPS ( Uninterruptible Power Supply ) o fuente ininterrumpida de potencia, la cual suministra el voltaje adecuado, por un tiempo determinado, cuando falla el fluido eléctrico. Esto ayuda a que el PLC no tenga tantos ciclos de apagado brusco, los cuales pueden ser muy perjudiciales.

En el momento de adquirir un PLC, entre los parámetros a tener en cuenta debemos incluir algunos que hacen mención a la fuente de poder. Los más importantes son los siguientes, los cuales se deben ajustar de acuerdo a las necesidades del proceso y del PLC como tal:

Voltaje de entrada Oscila entre 100 VAC a 240 VAC Voltaje de salida Puede estar entre 12 VDC y 24 VDC Corriente de salida Generalmente entre 1 y 3 amperios Frecuencia de operación 50 Hz ó 60 Hz Protecciones Sobrecorrientes y sobrevoltajes

En la mayoría de los PLCs, la fuente de alimentación está incluida dentro del mismo compartimiento donde se encuentra la CPU, figura 11.10. En otros casos, la fuente es configurable, permitiendo adaptar los voltajes y las capacidades de corriente, de acuerdo a la necesidad de la aplicación.

Figura 11.

Durante el proceso de programación de los PLCs, cuando se hace a través de un dispositivo programador manual, figura 11.11, el voltaje de alimentación es suministrado por la misma fuente del PLC, lo que implica que debe tener la capacidad de soportar elementos de conexión externa. Inclusive, en muchos autómatas de alta gama, la fuente de poder suele tener corriente suficiente para alimentar algunos sensores externos, claro está, de bajo consumo. La capacidad máxima de corriente de la salida de voltaje aparece impresa en los bornes de conexión del módulo.

Figura 11.

Bloque de terminales de una fuente de PLC. Los autómatas están provistos de una serie de bornes de conexión que sirven para la instalación del cableado necesario para el buen funcionamiento del sistema. Aunque los nombres de los terminales y las funciones provistas difieren de un modelo a otro, en la figura 11.12 podemos apreciar un bloque correspondiente a un PLC típico. A continuación describimos la función de algunos de sus terminales de conexión.

Figura 11.

1. Alimentación general : Son los terminales en los cuales se conecta el voltaje de la red. En el caso de alimentación con corriente alterna de una sola fase, se debe diferenciar la línea viva (fase) de la línea muerta (neutro). Adicionalmente, existe un terminal de conexión a tierra física, que debe ser conectada a la tierra general de la edificación donde se va a instalar el PLC, pudiéndose usar la misma tierra del sistema de computadoras del edificio. Si el PLC se alimenta con voltaje DC, los terminales de alimentación están marcados con la polaridad respectiva, es decir, positivo (+) y negativo (-).
2. Tierra lógica. Es un terminal que pone a disposición el punto común de conexión del sistema lógico de entradas y salidas. Sirve para ahorrar cableado ya que por lo general todos los sensores usan una misma línea común.
3. Arranque remoto. Son dos terminales que al unirlos provocan el arranque del PLC. Su función es permitir que a través de un relevo, un pulsador, un interruptor u otro dispositivo similar distante del PLC, se ejecute el programa del mismo, tal como si el selector se posicionara en RUN o START.

aunque dichos sistemas de comunicación también pueden estar en módulos independientes. Observe en la figura 11.15 el diagrama de bloques de una unidad central de proceso de un PLC, y en la figura 11. el aspecto físico de una de ellas.

Figura 11.

Acumulador

Registros de pila

Flags

Decodificador

Interprete externo

Bus interno del automata

Bus de datos Bus de control

Bus de control

Contador de programa

Reloj y secuenciador

Programa

Monitor sistema ALU

Figura 11.

Figura 11.

Funcionamiento del microprocesador. 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 dicho programa, y ordenar la activación de salidas, también a través de posiciones de memoria llamadas imagen de salidas , figura 11.17. En realidad, el microprocesador no se entiende directamente con módulos externos de entradas y salidas, son otros circuitos los que las leen y las ubican en posiciones estratégicas de memoria para que él vaya, las analice y escriba los nuevos valores que se quieren ejecutar externamente.

Microprocesador

Modulos de entradas

Imagen de entradas

Imagen de salidas

Modulos de salidas

Figura 11.

Recordemos que una unidad central de proceso está compuesta principalmente por uno o varios microprocesadores. Por su parte, un microprocesador posee internamente varios bloques que tienen una función específica dentro del proceso de la información, analicemos los más importantes.

1. ALU o Unidad Aritmético-Lógica. Es el bloque encargado de ejecutar todas las operaciones matemáticas y lógicas durante la ejecución de un programa. Tiene la capacidad de hacer operaciones AND, YES, NOT, EXOR, sumas, restas, comparaciones, etc. 2. Acumulador. Es donde se almacena la última operación ejecutada. Por ejemplo, en una suma, allí quedará el resultado de la misma. Un microprocesador puede tener varios acumuladores. 3. Banderas o flags. Son indicadores de situaciones especiales luego de una operación cualquiera dentro del microprocesador. Allí aparece si el resultado fue negativo, si fue cero, si hubo sobre flujo, si fue mayor, menor, etc. Las banderas se utilizan para monitorear las operaciones que se efectúan con el microprocesador. 4. Contador de programa o PC. Es el encargado de leer las instrucciones del usuario y la secuencia de ejecución. Contiene la información del sitio exacto de la secuencia del programa en ejecución. Acepta saltos que el mismo programa le indique de acuerdo a situaciones especiales de las entradas y las salidas. 5. Decodificador de instrucciones. Es el encargado de ejecutar las instrucciones que el programa le va indicando, decodificando el contenido de cada una de ellas y suministrando las señales de respuesta o de control.

Si el autómata ha sido diseñado para permitir programas complejos, lo más normal es que tenga varios microprocesadores o varios coprocesadores en una misma CPU. A cada microprocesador se le asigna una tarea específica, logrando un rendimiento superior gracias a la velocidad del proceso y a que todos ellos pueden trabajar en paralelo ofreciendo varios resultados simultáneamente.

Cuando se utilizan coprocesadores, los cuales son procesadores pero con funciones muy específicas, debe existir un ente superior, denominado unidad de coordinación , que se encargue de gobernarlos y sincronizarlos para obtener un funcionamiento correcto de todo el sistema. De igual manera, si se utilizan varios microprocesadores, también deberá hacer uno de ellos (generalmente el de mayor rendimiento), que organice a los demás y suministre instrucciones de manejo global, figura 11.18.

Módulos de salidas digitales

Las salidas discretas se emplean para girar actuadores de campo a cerrado o abierto, como por ejemplo: solenoides, bobinas de contactores, lámparas, etc.

MODULO DE SALIDA DISCRETA (^) CONTACTOS DE RELÉ

LUZ PILOTO

BOBINA DE RELÉ

LUZ INDICADORA

Fig. 11.20 Enviando señales discretas a dispositivos de campo.

Módulos de entradas analógicas

Los instrumentos de campo, tales como los sensores de temperatura, presión o nivel envían señales que varían su valor hacía el PLC. Estas son las llamadas señales de entrada analógicas.

Una entrada analógica es una señal eléctrica de un sensor de campo que varía de acuerdo al cambio de las condiciones del proceso.

MODULO DE ENTRADA ANALOGICO

TRANSMISOR DE NIVEL

Fig. 11.21 Tanque transmisor de nivel enviando señales analógicas.

Módulos de salidas analógicas

Las señales de salida analógicas son usadas para controlar y variar la velocidad de motores, bombas u otros equipos que cuentan con un rango de operación.

MODULO DE SALIDA

VALVULA DE CONTROL DE FLUJO

TRANSDUCTOR

I / P

Fig. 11.22 Enviando señales variables a dispositivos en campo.

Características 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 tamaño del proceso a controlar para hacerlo optimo.

Escalable:

Debe permitir la expansión del control en el futuro sin necesidad de cambiar lo instalado. Además, debe permitir la inclusión de tecnologías nuevas sin tener que desechar la estructura básica instalada.

Debe de ser un sistema distribuido permitiendo dividir las señales del proceso en áreas geográficas, instalando para ello, unidades remotas. Esto evita que la centralización de señales en un solo lugar ahorrando considerable cantidad de tubería conduit, cable y mano de obra de instalación.

Configurable:

Deben tener una disponibilidad amplia de módulos de entrada, salida y procesadores con diferentes capacidades para que se adapten en forma optima al tamaño y características del proceso que se va a controlar.

Programación abierta:

Debe 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 y bajo consumo de energía:

No deben requerir condiciones especiales de temperatura ambiental y humedad para poder ubicarlos lo más cercano al proceso, y el consumo de energía debe ser bajo para que puedan operar con celdas solares si el proceso así lo requiere.