APUNTES DE SISTEMAS ELECTRONICOS INDUSTRIALES


Conceptos Básicos de PLCs

1.- GENERALIDADES DE LOS PLCs

El término PLC de amplia difusión en el medio significa en inglés, Controlador Lógico Programable. Originalmente se denominaban PCs (Programmable Controllers), pero, con la llegada de las IBM PCs, para evitar confusión, se emplearon definitivamente las siglas PLC.

En Europa, el mismo concepto es llamado Autómata Programable.

La definición más apropiada es: Sistema Industrial de Control Automático que trabaja bajo una secuencia almacenada en memoria, de instrucciones lógicas. 

Es un sistema porque contiene todo lo necesario para operar, e industrial por tener todos los registros necesarios para operar en los ambientes hostiles encontrados en la industria.

Esta familia de aparatos se distingue de otros controladores automáticos en que puede ser programado para controlar cualquier tipo de máquina, a diferencia de otros muchos que, solamente pueden controlar un tipo específico de aparato. Un programador o Control de Flama de una caldera, es un ejemplo de estos últimos.

Además de poder ser programados, se insiste en el término "Control Automático", que corresponde solamente a los aparatos que comparan ciertas señales provenientes de la máquina controlada de acuerdo con algunas reglas programadas con anterioridad para emitir señales de control para mantener la operación estable de dicha máquina.

Las instrucciones almacenadas en memoria permiten modificaciones así como su monitoreo externo.

Los controladores PLC fueron desarrollados como una alternativa flexible y económica a los viejos controladores lógicos de relevo utilizados en procesos y controles industriales automatizados.   Tienen algunas ventajas sobre los controladores lógicos de relevadores, entre ellas, el costo, el tamaño,  la fidelidad y otras características que los antiguos sistemas carecen.   Su desarrollo se debe a la misma tecnología del microchip y del microprocesador.  Esto permite una más fácil programación de los programas de control almacenados dentro de la memoria del PLC y elimina la necesidad de alterar el hardware cada vez que se tenga que implementar un nuevo proceso de control. 
Los controladores PLC son económicos y compactos, son unidades versátiles basadas en la arquitectura estándar de microprocesadores, utilizados en el control de procesos o de máquinas.   Fueron diseñados para facilitar su programación y mantenimiento.  Los sistemas PLCs reemplazan de forma rápida, fácil y eficiente a los antiguos y aparatosos sistemas controladores lógicos de relevadores utilizados en manufactura automatizada.  Los PLC’s, fueron definidos en 1978 por la Asociación Nacional (EUA) de Manufactureros Eléctricos (NEMA) como:   “Un aparato electrónico de operación digital, el cual utiliza una memoria programable que almacena internamente las instrucciones para implementar funciones específicas, tales como: lógicas, secuenciales, de tiempo,  de conteo, y aritméticas; para controlar por medio de entradas y salidas digitales o analógicas, varios tipos de máquinas o procesos.”. 

Los PLC’s operan básicamente detectando las señales de entrada lógicas (on/off) o analógicas, y dependiendo de los programas de control o diagramas de escalera (Ladder), produce señales de salidas del mismo tipo (normalmente lógico).  En la implementación de PLCs, el campo de cableado o conexiones entre los elementos lógicos permanece inalterado, pero no se necesitaran más conexiones físicas.  Por el contrario, las conexiones son almacenadas en memoria de computadora, lo cual permite la programación de dichas conexiones y por ende facilita más las cosas al pasar al ámbito o escala lógica.    La lógica de escalera (Ladder logic) es una técnica de programación que requiere un mínimo entrenamiento de programación. 

Los sistemas PLC’s, sobre los antiguos sistemas de relevadores, tienen ventajas considerables: 

  • Realizan todas las capacidades y funciones de los sistemas antiguos.
  • Mucho mayor y mejor desempeño.
  • Mayor fidelidad.
  • Requieren poco mantenimiento ya que no utilizan partes móviles.
  • No requiere habilidades especiales de programación para su mantenimiento.
  • Su tamaño físico es mucho menor que los antiguos sistemas convencionales.
  • Y lo más importante, un costo mucho menor.
Aunque los sistemas PLCs tienen muchas ventajas, también tienen sus desventajas.  Entre ellas esta la localización de fallas debido a su diseño mas complejo que los anteriores.   Segundo, la falla del PLC puede detener por completo los procesos que controla, mientras que una falla en un sistema convencional solo lo interrumpe parcialmente.   Y tercero, la interferencia eléctrica puede alterar o interrumpir la memoria del PLC. 

2.- COMPONENTES

Los pequeños PLCs son compactos y contienen en un solo cajón todos los componentes, reciben por lo tanto el nombre de tipo "caja de zapatos". En cambio, los mayores, son del tipo modular y se conectan las diferentes partes de una manera que pueden ser reemplazadas individualmente.

Un PLC consiste en las siguientes partes:

CPU o Unidad de Proceso Lógico, que el en caso del PLC reside en un circuito integrado denominado Microprocesador o Microcontrolador, es el director de las operaciones del mismo.

Por extensión, todo el "cerebro" del PLC se denomina CPU.

El CPU se especifica mediante el tiempo que requiere en procesar 1 K de instrucciones, y por el número de operaciones diferentes que puede procesar. Normalmente el primer valor va desde menos de un milisegundo a unas decenas de milisegundos, y el segundo de 40 a más de 200 operaciones diferentes.

MEMORIA. Es el lugar de residencia tanto del programa como de los datos que se van obteniendo durante la ejecución del programa. Existen dos tipos de memoria según su ubicación: la residente, que está junto o en el CPU y, la memoria exterior, que puede ser retirada por el usuario para su modificación o copia. De este último tipo existen borrables (RAM, EEPROM) y, no borrables (EPROM), según la aplicación. 

Las memorias empleadas en los programas van de 1 K a unos 512 K.

PROCESADOR DE COMUNICACIONES. Las comunicaciones del CPU son llevadas a cabo por un circuito especializado con protocolos de los tipos RS-232C, TTY ó HPIB (IEEE-485) e inclusive Internet (Ethernet) según el fabricante y la sofisticación del PLC.

ENTRADAS Y SALIDAS. Para llevar a cabo la comparación necesaria en un control automático, es preciso que el PLC tenga comunicación al exterior. Ésto se logra mediante una interfase llamada de entradas y salidas, de acuerdo a la dirección de los datos vistos desde el PLC.

El número de entradas y salidas va desde 6 en los PLCs de "caja de zapatos" tipo micro o nano, a varios miles en PLCs modulares.

El tipo preciso de entradas y salidas depende de la señal eléctrica a utilizar:  

 CORRIENTE ALTERNA 24, 48, 120, 220 V. Salidas: Triac, Relevador.

CORRIENTE DIRECTA (DIGITAL) 24, 120 V. Entradas: Sink, Source. Salidas: Transistor PNP, Transistor NPN, Relevador. 

CORRIENTE DIRECTA (ANALOGICA) 0 - 5, 0 - 10 V, 0 - 20, 4 - 20 mA. Entradas y Salidas Analógicas.
 

TARJETAS MODULARES INTELIGENTES. Existen para los PLCs modulares, tarjetas con funciones específicas que relevan al microprocesador de las tareas que requieren de gran velocidad o de gran exactitud.

Estas tarjetas se denominan inteligentes por contener un microprocesador dentro de ellas para su funcionamiento propio. El enlace al PLC se efectúa mediante el cable (bus) o tarjeta de respaldo y a la velocidad del CPU principal.

Las funciones que se encuentran en este tipo de tarjetas son de: 

  • Posicionamiento de Servomecanismos
  • Contadores de Alta Velocidad.
  • Transmisores de Temperatura.
  • Puerto de Comunicación BASIC.

BUS. Los sistemas modulares requieren una conexión entre los distintos elementos del sistema y, ésto se logra mediante un bastidor que a la vez es soporte mecánico de los mismos. 

Este bastidor contiene la conexión a la fuente de voltaje, así como el "bus" de direcciones y de datos con el que se comunican las tarjetas y el CPU.

En el caso de tener muchas tarjetas de entradas/salidas, o de requerirse éstas en otra parte de la máquina, a cierta distancia de la CPU, es necesario adaptar un bastidor adicional que sea continuación del original, con una conexión entre bastidores para la comunicación. Esta conexión si es cercana puede lograrse con un simple cable paralelo y, en otros casos, se requiere de un procesador de comunicaciones para emplear fibra óptica o, una red con protocolo establecida.

FUENTE DE PODER. Por último, se requiere una fuente de voltaje para la operación de todos los componentes mencionados anteriormente. Y ésta, puede ser externa en los sistemas de PLC modulares o, interna en los PLC compactos.

Además, en el caso de una interrupción del suministro eléctrico, para mantener la información en la memoria borrable de tipo RAM, como es la hora y fecha, y los registros de contadores, etc. se requiere de una fuente auxiliar. En los PLCs compactos un "supercapacitor" ya integrado en el sistema es suficiente, pero en los modulares, es preciso adicionar una batería externa.

PROGRAMADOR. Aunque de uso eventual en un sistema, desde un teclado con una pantalla de una línea de caracteres hasta una computadora personal pueden emplearse para programar un PLC, siempre y cuando sean compatibles los sistemas y los programas empleados.

Con base en lo anterior, podemos clasificar a los PLC por tamaño. Esto es, por el número de entradas/salidas que se pueden tener o conectar. Ej. Un PLC con 216 entradas/salidas permite la conexión de una combinación de entradas y salidas cuya suma no pase de 216.

Además del tamaño físico, es importante la velocidad de proceso del CPU y la memoria total que puede ser empleada para programas por el usuario. Ej. Un PLC con una velocidad de proceso de 1000 instrucciones en 0.8 ms promedio y memoria de 8KBytes (1 Byte = 8 bits)

Es necesario hacer notar que después de procesar las instrucciones, el PLC se comunica externamente, realiza funciones de mantenimiento como verificar integridad de memoria, voltaje de batería, etc. En seguida actualiza las salidas y acto seguido lee las entradas. Con lo que el tiempo de proceso total, puede llegar a ser el doble del de ejecución del programa.

3.- COMPARACION ENTRE LOS MODELOS DE PLCS COMPACTOS MÁS COMUNES EN NUESTRO MEDIO.


En el orden: MITSUBISHI FX, SIEMENS 95U, SIEMENS 214U

NO. INSTRUCCIONES
-, -, - 

NO. ENTRADAS/SALIDAS DIGITALES MAX
-, -, 64 

NO. ENTRADAS/SALIDAS ANALOGICAS MAX
-, - , -

NO. MARCAS (normal/retent)
-, 1536/512, 256/688

NO. CONTADORES (normal/retent/rango)
-,120/8/0-999, 128

NO. TEMPORIZADORES (rango)
-,128(0.01-9990 s), 128(0.001-s)

MEMORIA INTERNA PARA PROGRAMA (KB)
-, 8 KB, 2KB

VELOCIDAD (1 Kinstr)
-, 2 ms, 0.8ms
 

4.- USO

Los P.L.C. se encuentran en la gran mayoría de las máquinas de proceso que se fabrican actualmente y, a veces disfrazados de tablillas electrónicas de control, pero siempre reduciendo en gran medida la mano de obra que requerían todos los tableros de control alambrados que hasta hace unos años eran omnipresentes en la industria y, en gran medida su gran difusión los ha abaratado tanto que aún en las operaciones más sencillas, el P.L.C. toma el lugar de temporizadores y contadores.

Al alambrar un PLC se debe tener cuidado en emplear los cables con código de colores para evitar en lo posible cualquier error que pudiera ser muy costoso.

Las compañías fabricantes de máquinas usan el siguiente código de colores para los cables:

    AZUL para circuitos de control en c.d. 
    ROJO para control en c.a. 
    VIOLETA y/o GRIS para entradas/salidas del PLC. 
    NEGRO en circuitos de fuerza 
    BLANCO en cables puestos a tierra en c.a. (neutro) y el VERDE/AMARILLO o solamente VERDE para la conexión a tierra.

5.- TENDENCIAS.

Las máquinas modernas controladas por un PLC tienen pocos botones de mando, porque han sido sustituídos en gran medida por los paneles de mando que a su vez tienen una pequeña o gran pantalla de avisos y, en algunos casos hasta permiten la programación de la Producción.

Además, la tendencia es hacia una fabricación integrada y, los PLC juegan el papel del soldado raso en esa cadena al efectuar todas las operaciones burdas de control.

Estos sistemas donde los PLC son supervisados por sistemas más complejos están actualmente en uso en las grandes compañías acereras, de alimentos y de automóviles y, con la caída en los costos reales actuales, se puede anticipar su uso en fábricas y empresas más y más pequeñas en el próximo futuro.

En nuestro medio, esperamos ver cada vez un mayor número de PLC controlando las máquinas de nuestras industrias.
 

6.- LIGAS A PAGINAS RELACIONADAS CON PLCs

PLCs en la Universidad DeLaSalle

Fabricantes

Otras

7.- BIBLIOGRAFIA

  • Programmable Controllers - Using the Allen-Bradley SLC-500 Family.  David A. Geller, Prentice Hall.   ISBN  0130962082.
  • Introduction to Programmable Logic Controllers : The Mitsubishi Fx. Ridley, J. E. John Wiley & Sons (Sd); 04/1997
  • Introduction to Programmable Logic Controllers Dunning, Gary Delmar Publishers Pub; 02/1998

Página Principal

040914   Roberto Ruelas Gómez