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Informacion sobre que son los PLC y para que son utilizados.
Tipo: Apuntes
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PAC - Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE
Contenido
TAREA 1-1: ESTRUCTURA GENERAL, COMPONENTES. TIPOS DE PLCs. FUNCIONAMIENTO................................................................................................................. 3
Índice de figuras Figura 1: Organización modular del PLC Siemens S7-300 ........................................................... 11 Figura 2: Ejemplos de PLCs compactos. Festo FEC FC660 PLC (a la izquierda), Siemens Logo (en el medio) y S7-200 PLC (a la derecha) ......................................................................................... 12 Imagen 3: Ejemplos de PLCs modulares. Siemens S7-300 PLC (en la parte izquierda) y Allen- Bradley Compact Logix PLC (en la parte derecha) ...................................................................... 13 Imagen 4: Ejemplos de PLCs de tipo montaje en rack. Siemens S7-400 PLC (en la parte izquierda) y Festo CPX PLC (en la parte derecha) ....................................................................... 14 Figura 5: Ejemplo de un OPLC Unitronics M-90 .......................................................................... 14 Imagen 6:. Ejemplos de PCs industriales, fabricados por a empresa Siemens .......................... 15 Imagen 7: PLC Omrom CS1G/H de tipo ranura ........................................................................... 15 Imagen 8: PLC de tipo máquina virtual por Siemens .................................................................. 16 Imagen 9: Ejemplo de configuración de un PLC bajo la arquitectura “maestro-esclavo”. ......... 17 Figura 10: Ciclo de operación del PLC Siemens S7-300. .............................................................. 19 Figura 11: Tiempo de reacción de un PLC ................................................................................... 20
2. CONTENIDO
2.1 PLC: definición y principales características.
Un controlador lógico programable, más conocido por sus siglas en inglés PLC (Programmable Logic Controller), se trata de una computadora, utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas. Sin embargo, la definición más precisa de estos dispositivos es la dada por la NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) que dice que un PLC es:
El campo de aplicación de los PLCs es muy diverso e incluye diversos tipos de industrias (ej. automoción, aeroespacial, construcción, etc.), así como de maquinaria. A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, amplios rangos de temperatura, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto. Los programas para el control de funcionamiento de la máquina se suelen almacenar en baterías copia de seguridad o en memorias no volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo real duro donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de un tiempo limitado, que de lo contrario no producirá el resultado deseado.
Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentran que, gracias a ellos, es posible realizar operaciones en tiempo real, debido a su disminuido tiempo de reacción. Además, son dispositivos que se adaptan
fácilmente a nuevas tareas debido a su flexibilidad a la hora de programarlos, reduciendo así los costos adicionales a la hora de elaborar proyectos. Permiten también una comunicación inmediata con otro tipo de controladores y ordenadores e incluso permiten realizar las operaciones en red. Como ya se ha mencionado previamente, tienen una construcción estable al estar diseñados para poder resistir condiciones adversas sobre vibraciones, temperatura, humedad y ruidos. Son fácilmente programables por medio de lenguajes de programación bastante comprensibles. Sin embargo, presentan ciertas desventajas como la necesidad de contar con técnicos cualificados para ocuparse de su buen funcionamiento.
2.2 BREVE HISTORIA DE LOS PLCs.
Desde el comienzo de la industrialización, el hombre ha buscado cómo hacer que los trabajos se realizasen de la forma más ágil y menos tediosa para el operador en cuestión. Los PLCs han sido un mecanismo clave en este proceso puesto que permiten, entre otras cosas, que ciertas tareas se realicen de forma más rápida y que el hombre evite su aparición en trabajos peligrosos tanto como para él, como para su entorno más próximo. De este modo, hoy en día estamos rodeados de estos mecanismos que, rebasando la frontera de lo industrial, pueden encontrarse en semáforos; gestión de iluminación en parques, jardines y escaparates; control de puertas automáticas; e incluso en el control de dispositivos del hogar como ventanas, toldos, climatización, etc.
El desarrollo de los PLCs fue dirigido originalmente por los requerimientos de los fabricantes de automóviles. Estos cambiaban constantemente los sistemas de control en sus líneas de producción de modo que necesitaban un modo más económico para realizarlo puesto que, en el pasado, esto requería un extenso re-alambrado de bancos de relevadores (procedimiento muy costoso). De este modo, a finales de los años 60, la industria necesitaba cada vez más un sistema de control económico, robusto, flexible y fácilmente modificable. Así, en 1968 aparecieron los primeros autómatas programables (APIs o PLCs). La compañía americana Bedford Associates sugirió así un Controlador Modular Digital (MODICON) para su utilización en una compañía de automoción y MODICON 084 fue el primer PLC con una aplicación industrial (1968). Los nuevos controladores debían ser fácilmente programables por ingenieros de planta o personal de mantenimiento, su tiempo de vida debía ser largo y los cambios de programa
desarrollo de módulos de control continuo, PID, servo controladores, control inteligente y fuzzy.
Los años 90 mostraron una reducción gradual en el número de protocolos nuevos y en la modernización de las capas físicas de los protocolos más populares que lograron sobrevivir a los años 80. El último estándar, IEC 1131-3, trata de unificar el sistema de programación de todos los PLC en un único estándar internacional. Hoy en día disponemos de PLCs que pueden ser programados en diagramas de bloques, listas de instrucciones o incluso texto estructurado al mismo tiempo. Sin embargo, los ordenadores comenzaron a reemplazar al PLC en algunas aplicaciones e incluso la compañía que introdujo el Modicon 084 ha cambiado su control en base a un ordenador. Cabe esperar que, en un futuro no muy lejano, el PLC desaparezca al disponer de ordenadores cada vez más potentes y todas las posibilidades que estos pueden proporcionar.
Hoy en día, la tendencia actual es dotar al PLC de funciones específicas de control y canales de comunicación para que pueda conectarse entre sí y con ordenadores en red, creando así una red de autómatas.
A continuación puede verse un diagrama con la historia de estos dispositivos:
Figura 1: Evolución de los PLCs
El lugar donde se guardan los datos y las instrucciones es la memoria que se divide en memoria permanente, PM, y memoria operacional, conocida como memoria de acceso aleatorio o RAM. La primera, la PM, se basa en las ROM, EPROM, EEPROM o FLASH; es donde se ejecuta el sistema de operación del PLC y puede ser reemplazada. Sin embargo, la RAM, es donde se guarda y ejecuta el programa en cuestión utilizado y es la de tipo SRAM la que se utiliza habitualmente. La condición común para las entradas de dos componentes digitales de un PLC se guarda en una parte de la RAM y se denomina tabla PII o entrada imagen de proceso. La salida controlada, o el último valor de la salida calculado por las funciones lógicas, se guardan en la parte de la RAM denominada tabla PIO, salida de la imagen del proceso. El programa utilizado también puede guardarse en una memoria externa permanente (EPROM o EEPROM) que, para ciertos PLCs, puede ser un módulo externo que se coloca en una toma del panel frontal.
Finalmente, los módulos de E/S, son aquellos módulos de señal (SM) que coordinan la entrada y salida de las señales, con aquellas internas del PLC. Estas señales pueden ser digitales (DI, DO) y analógicas (AI, AO), y provienen o van a dispositivos como sensores, interruptores, actuadores, etc. Los SMs analógicos utilizan en general un voltaje en DC y una corriente directa. De este modo, opto acopladores, transistores y relés son empleados en la salida digital del SMs para cambiar los estados de la señal de salida con el fin de proteger a estos dispositivos de situaciones como un cortocircuito, una sobrecarga o un voltaje excesivo. El número de entradas y/o salidas de los SMs digitales es también bastante más elevado que en los analógicos, siendo los primeros más de 8,16 o 32, mientras que los segundos son, a lo sumo 8. Finalmente, los términos “Sinking” y “Sourcing” explican cómo se realiza la conexión de las PLC a los sensores y actuadores:
Una PLC puede contener un casete con una vía en la que se encuentran diversos tipos de módulos, como puede observarse en la siguiente figura, correspondiente a una PLC de la empresa Siemens:
Figura 1: Organización modular del PLC Siemens S7-
Como puede observarse en la figura, el PLC dispone de los siguientes módulos que, aunque en este tipo no puede ser intercambiada, esto sí es posible para PLCs de otras compañías. Los módulos más importantes son:
forma especial y que se comunica con la CPU a través de un sistema bus. Tiene un número limitado de lugares para los módulos pero, en la mayoría de los casos, este puede aumentarse. Además, los PLCs modulares pueden utilizar un elevado número de entradas/salidas, pueden soportar programas más grandes, guardar más datos y operar bajo el modo de multitarea. Normalmente se utilizan para el control, regulación, posicionamiento, procesamiento de datos, manipulación, comunicación, monitorización, servicios-web, etc.
Imagen 3: Ejemplos de PLCs modulares. Siemens S7-300 PLC (en la parte izquierda) y Allen-Bradley Compact Logix PLC (en la parte derecha)
Imagen 4: Ejemplos de PLCs de tipo montaje en rack. Siemens S7-400 PLC (en la parte izquierda) y Festo CPX PLC (en la parte derecha)
Figura 5: Ejemplo de un OPLC Unitronics M-
i) Con ordenador industrial (PC industrial) son aquellos que combina un PC normal y un PLC en un único sistema. La parte de PLC puede estar basada en hardware (PLC de tipo slot) o basadas en un PLC con software virtual (PLC de tipo software). Los ordenadores industriales que se utilizan son de tamaño medio y tienen una gran cantidad de aplicaciones en la automatización donde se requiere un control rápido de los procesos, así como una recopilación rápida de
PC) que permiten realizar una comunicación remota con las entradas/salidas de otros dispositivos para la automatización. La desventaja de los PLC de este tipo es la falta de memoria individual para guardar los datos y la pérdida de los datos sobre el control de los procesos cuando se interrumpe el suministro de potencia. Además, existen ciertos riesgos de que al cambiar el OS el PLC virtual no sea compatible con el nuevo sistema. Además no está garantizado que otras aplicaciones como las HIM o los servidores OPC puedan trabajar simultáneamente con la PLC de tipo software sin generar ningún problema y que su funcionamiento no tenga ninguna influencia sobre el del PLC de tipo software (ej. la velocidad de control sobre los procesos puede verse disminuida, la conexión sobre el bus de campo puede perderse en ciertos momentos, etc.).
Imagen 8: PLC de tipo máquina virtual por Siemens
El esquema de comunicación industrial ampliamente difundido para redes de integración de equipos de control es el denominado “maestro- esclavo”, y se utiliza en comunicaciones entre PLC y otros sistemas como SCADA’s y en DCS’s. Este sistema de comunicación maestro-esclavo consta esencialmente de un equipo que se lo denomina maestro y uno o varios equipos denominados esclavos; el maestro es quien gobierna los ciclos de comunicación, toda iniciativa de comunicación es llevada a cabo por este equipo, los esclavos solo responden a la petición del maestro, si les corresponde, el proceso de pregunta/respuesta de un equipo maestro a uno esclavo se lo conoce como transacción. A continuación se observa un diagrama correspondiente a esta configuración en un PLC:
Imagen 9: Ejemplo de configuración de un PLC bajo la arquitectura “maestro-esclavo”.
Como puede observarse en la figura anterior, este controlador programable tiene diseñada su arquitectura como un sistema multiprocesos especializado, basado en redes de PLCs, que se localizan en diferentes niveles. De este modo, el controlador denominado como ‘Maestro’ puede modificar la estructura, los algoritmos, los ajustes, las asignaciones, etc. de su subordinado. Existe así otro controlador llamado ‘esclavo’, que lleva a cabo un complejo procesamiento de los datos con el fin de coordinar todo y tener muchos más recursos a su disposición. Un ‘Maestro’ puede ser un PLC o un ordenador que controle de forma más potente, disponiendo un mayor acceso a los parámetros de configuración de cada controlador subordinado.
2.5 TIPOS DE SEÑALES UTILIZADAS POR LOS PLCs
Un PLC recibe y transfiere señales eléctricas, expresando así variables físicas finitas (temperatura, presión etc.). De este modo es necesario incluir en el SM un convertidor de señal para recibir y cambiar los valores a variables físicas. Existen tres tipos de señales en un PLC: señales binarias, digitales y analógicas.
1 Cada ciclo comienza con un trabajo interno de mantenimiento del PLC como el control de memoria, diagnostico etc. Esta parte del ciclo se ejecuta muy rápidamente de modo que el usuario no lo perciba. 2 El siguiente paso es la actualización de las entradas. Las condiciones de la entrada de los SMs se leen y convierten en señales binarias o digitales. Estas señales se envían a la CPU y se guardan en los datos de la memoria. 3 Después, la CPU ejecute el programa del usuario, el cual ha sido cargado secuencialmente en la memoria (cada instrucción individualmente). Durante la ejecución del programa se generan nuevas señales de salida. 4 El último paso es la actualización de las salidas. Tras la ejecución de la última parte del programa, las señales de salida (binaria, digital o analógica) se envían a la SM desde los datos de la memoria. Estas señales son entonces convertidas en las señales apropiadas para las señales de los actuadores. Al final de cada ciclo el PLC comienza un ciclo nuevo.
En la siguiente figura se muestra el ciclo de operación de un PLC Siemens S7- 300 aunque el de otras empresas puede ser algo diferente.
Figura 10: Ciclo de operación del PLC Siemens S7-300. Respecto al tiempo de reacción entre un determinado evento, debemos mencionar que este dependerá del tipo de ejecución de un ciclo del programa aplicado. De este modo, se define tiempo de reacción como aquel desde el
momento de ocurrencia de un evento hasta el momento en el que se envía la correspondiente señal de control a la salida del PLC, como puede observarse en la siguiente figura:
Figura 11: Tiempo de reacción de un PLC
Finalmente es interesante saber que los PLCs modernos tienen la capacidad de operar bajo un modo de multitareas. Por ejemplo, un PLC puede trabajar simultáneamente en dos tareas diferentes (utilizando programas distintos). En la práctica, un PLC puede ejecutar solamente una tarea en cada momento, sin embargo, las CPUs de los PLCs trabajan tan extremadamente rápido que parece que el PLC ejecuta diferentes tareas simultáneamente. El estándar IEC 61131 define una tarea como un elemento de ejecución de control, capaz de generar la ejecución de una secuencia de unidades organizadas de un programa (programas definidos) o basada en periodicidad (tareas periódicas) o basada en un evento (tarea no-periódica). Las tareas periódicas se ejecutan periódicamente sobre un tiempo ya definido, establecido por el usuario. Las tareas no-periódicas se ejecutan con la ocurrencia de un determinado evento, relacionado con la tarea. El evento y la tarea se relacionan mediante una variable Booleana. Un bloque de prioridad de tareas se utiliza en las multitareas, el cual establece un plan de la prioridad de las tareas.
