Controladores lógicos programables (PLC): conceptos básicos, tipos y aplicaciones

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Que es PLC

¿Qué es un PLC?

PLC significa «controlador lógico programable». Un PLC es una computadora especialmente diseñada para operar de manera confiable en entornos industriales hostiles, como temperaturas extremas, condiciones húmedas, secas y / o polvorientas. Los PLC se utilizan para automatizar procesos industriales como la línea de montaje de una planta de fabricación, una planta de procesamiento de minerales o una planta de tratamiento de aguas residuales.

Los PLC comparten muchas características de la computadora personal que tiene en casa. Ambos tienen una fuente de alimentación, una CPU (Unidad Central de Procesamiento), entradas y salidas (E / S), memoria y software operativo (aunque es un software operativo diferente).

Las mayores diferencias son que un PLC puede realizar funciones discretas y continuas que una PC no puede hacer, y un PLC se adapta mucho mejor a entornos industriales difíciles. Se puede pensar en un PLC como una computadora digital ‘reforzada’ que gestiona los procesos electromecánicos de un entorno industrial.

Los PLC juegan un papel crucial en el campo de la automatización, ya que forman parte de un sistema SCADA más grande. Se puede programar un PLC de acuerdo con los requisitos operativos del proceso. En la industria manufacturera, habrá una necesidad de reprogramación debido al cambio en la naturaleza de la producción. Para superar esta dificultad, se introdujeron sistemas de control basados ​​en PLC . Primero discutiremos los conceptos básicos de los PLC antes de analizar varias aplicaciones de los PLC.

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Conceptos básicos de PLC

Los PLC fueron inventados por Dick Morley en 1964. Desde entonces, los PLC han revolucionado los sectores industrial y de fabricación. Existe una amplia gama de funciones de PLC como temporización, conteo, cálculo, comparación y procesamiento de varias señales analógicas.

La principal ventaja del PLC sobre un sistema de control «cableado» es que puede volver atrás y cambiar un PLC después de haberlo programado, a bajo costo ( solo el costo del tiempo del programador ). En un sistema de control cableado, esencialmente tiene que arrancar los cables y comenzar desde cero (lo que es más costoso y lleva más tiempo). Veamos un ejemplo para comprender mejor esta ventaja.

Imagina que tienes una luz conectada a un interruptor. En general, la luz funciona en dos condiciones: ENCENDIDO y APAGADO. Ahora tiene la tarea de que cuando encienda el interruptor, la luz debe brillar solo después de 30 segundos. Con esta configuración cableada, estamos atascados. La única forma de lograr esto es recablear completamente nuestro circuito para agregar un relé de temporización. Eso es una gran molestia para un cambio menor.

Interruptor de luz
Interruptor de luz

Aquí es donde entra en escena un controlador lógico programable, que no requiere ningún cableado ni hardware adicional para asegurarse de un cambio. Más bien, requiere un simple cambio de código, programar el PLC para que solo encienda la luz 30 segundos después de que se encienda el interruptor. Entonces, al usar un PLC, es fácil incorporar múltiples entradas y salidas.

Este es solo un ejemplo simple: un PLC tiene la capacidad de controlar procesos mucho más grandes y complejos. Un PLC se puede personalizar según la aplicación y las necesidades del usuario.

Luz operada por un PLC
Luz operada por un PLC

¿Cómo funciona un PLC?

El funcionamiento de un controlador lógico programable puede entenderse fácilmente como un método de exploración cíclica conocido como ciclo de exploración.

Diagrama de bloques de cómo funciona un PLC
Diagrama de bloques de cómo funciona un PLC

Un proceso de escaneo de PLC incluye los siguientes pasos

  • El sistema operativo comienza a ciclar y monitorear el tiempo.
  • La CPU comienza a leer los datos del módulo de entrada y verifica el estado de todas las entradas.
  • La CPU comienza a ejecutar el programa de usuario o aplicación escrito en lógica de escalera de relés o cualquier otro lenguaje de programación de PLC.
  • A continuación, la CPU realiza todas las tareas de diagnóstico y comunicación internas.
  • Según los resultados del programa, escribe los datos en el módulo de salida para que se actualicen todas las salidas.
  • Este proceso continúa mientras el PLC esté en modo de ejecución.

Estructura física del PLC

La estructura de un PLC es casi similar a la arquitectura de una computadora.

Diagrama de bloques del PLC
Diagrama de bloques del PLC

Los controladores lógicos programables monitorean continuamente los valores de entrada de varios dispositivos de detección de entrada (por ejemplo, acelerómetro, báscula, señales cableadas, etc.) y producen la salida correspondiente según la naturaleza de la producción y la industria. Un diagrama de bloques típico de un PLC consta de cinco partes, a saber:

  • Rack o chasis
  • Módulo de alimentación
  • Unidad Central de Procesamiento (CPU)
  • Módulo de entrada y salida
  • Módulo de interfaz de comunicación

Rack o chasis

En todos los sistemas PLC, el bastidor o chasis del PLC forma el módulo más importante y actúa como columna vertebral del sistema. Los PLC están disponibles en diferentes formas y tamaños. Cuando se trata de sistemas de control más complejos, se requieren racks de PLC más grandes.

El PLC de tamaño pequeño está equipado con una configuración de pines de E / S fijos. Por lo tanto, han optado por PLC de rack de tipo modular, que acepta diferentes tipos de módulos de E / S con deslizamiento y ajuste en concepto. Todos los módulos de E / S residirán dentro de este bastidor / chasis.

Desglose del bastidor del PLC
Desglose del bastidor del PLC

Módulo de alimentación

Este módulo se utiliza para proporcionar la energía necesaria a todo el sistema PLC. Convierte la energía de CA disponible en energía de CC requerida por la CPU y el módulo de E / S. El PLC generalmente funciona con una fuente de alimentación de 24 V CC. Pocos PLC utilizan una fuente de alimentación aislada.

Módulo de CPU y memoria

El módulo de la CPU tiene un procesador central, memoria ROM y RAM. La memoria ROM incluye un sistema operativo, controladores y programas de aplicación. La memoria RAM se utiliza para almacenar programas y datos. La CPU es el cerebro del PLC con un microprocesador octal o hexagonal.

Al ser una CPU basada en microprocesador, reemplaza temporizadores, relés y contadores. Se pueden incorporar dos tipos de procesadores como un procesador de un solo bit o de texto con un PLC. Se utiliza un procesador de un bit para realizar funciones lógicas. Mientras que los procesadores de texto se utilizan para procesar texto, datos numéricos, controlar y registrar datos.

La CPU lee los datos de entrada de los sensores, los procesa y finalmente envía el comando a los dispositivos de control. La fuente de alimentación de CC, como se mencionó en la discusión anterior, requiere señales de voltaje. La CPU también contiene otras partes eléctricas para conectar los cables utilizados por otras unidades.

Módulo de entrada y salida

¿Alguna vez ha pensado en cómo detectar parámetros físicos como temperatura, presión, flujo, etc.? usando PLC? Por supuesto, el PLC tiene un módulo exclusivo para interconectar entradas y salidas, que se denomina módulo de entrada y salida.

Los dispositivos de entrada pueden ser botones de arranque y parada, interruptores, etc. y los dispositivos de salida pueden ser un calentador eléctrico, válvulas, relés, etc. El módulo de E / S ayuda a conectar los dispositivos de entrada y salida con un microprocesador. El módulo de entrada del PLC se explica en la siguiente figura.

Módulo de entrada PLC
Módulo de entrada PLC
Diagrama de circuito del módulo de entrada PLC
Diagrama de circuito del módulo de entrada del PLC

El módulo de entrada del PLC realiza cuatro funciones principales.

  1. La interfaz del módulo de entrada recibe la señal de los dispositivos de proceso a 220 V CA
  2. Convierte la señal de entrada a 5 V CC que puede utilizar el PLC
  3. El bloque aislador se utiliza para aislar / evitar que el PLC experimente fluctuaciones
  4. Después de lo cual la señal se envía al extremo de salida, es decir, al PLC

Hay dos secciones principales en el módulo de entrada, a saber, la sección de potencia y la sección lógica. Ambas secciones están eléctricamente aisladas entre sí. Inicialmente, el botón pulsador está cerrado. Por lo tanto, se proporciona un suministro de 220 V CA al circuito puente a través de las resistencias R1 y R2.

Se utiliza un puente rectificador (como un puente rectificador de diodo ) para convertir la señal de CA en CC y el diodo Zener se utiliza para proporcionar un suministro de bajo voltaje al LED. Cuando la luz del LED cae sobre el fototransistor , funciona en la región de conducción. Finalmente, se le da al procesador una fuente de 5V DC.

El módulo de salida del PLC funciona de manera similar al módulo de entrada pero en el proceso inverso. Conecta la carga de salida y el procesador. Entonces, aquí la primera sección sería la sesión lógica y la sección de potencia es la siguiente. El funcionamiento del módulo de salida se muestra en la siguiente figura

Módulo de salida PLC
Módulo de salida PLC

Entonces, aquí, cuando se genera la señal lógica alta del programa desde el procesador, el LED se encenderá y permitirá que la luz caiga sobre un fototransistor. Cuando el transistor va a la región de conducción, genera un pulso en la puerta del Triac . El bloque aislador se utiliza para aislar la sección lógica y la sección de control.

Módulo de interfaz de comunicación

Para transferir información entre la CPU y las redes de comunicación, se utilizan módulos de E / S inteligentes. Estos módulos de comunicación ayudan a conectarse con otros PLC y computadoras que se encuentran en una ubicación remota.

Tipos de PLC

Los dos tipos principales de PLC son PLC fijo / compacto y PLC modular.

PLC compacto

Dentro de un solo caso, habría muchos módulos. Tiene un número fijo de módulos de E / S y tarjetas de E / S externas. Por lo tanto, no tiene la capacidad de expandir los módulos. Cada entrada y salida sería decidida por el fabricante.

PLC modular

Este tipo de PLC permite múltiples expansiones a través de “módulos”, de ahí que se denomine PLC modular. Se pueden aumentar los componentes de E / S. Es más fácil de usar porque cada componente es independiente entre sí.

Tipos de PLC
Un PLC de tipo modular

Los PLC se dividen en tres tipos según la salida, a saber, salida de relé, salida de transistor y PLC de salida Triac. El tipo de salida de relé es más adecuado para dispositivos de salida de CA y CC. El PLC de tipo de salida de transistor utiliza operaciones de conmutación y se utiliza dentro de microprocesadores.

Según el tamaño físico, un PLC se divide en Mini, Micro y Nano PLC.

Algunos de los fabricantes de PLC incluyen:

Aplicaciones de PLC

Los PLC tienen una variedad de aplicaciones y usos, que incluyen:

  1. Plantas de automatización de procesos (por ejemplo, minería, petróleo y gas)
  2. Industria del vidrio
  3. Industria del papel
  4. Fabricación de cemento
  5. En calderas – Centrales térmicas

Programación PLC

Cuando se utiliza un PLC, es importante diseñar e implementar conceptos según su caso de uso particular. Para hacer esto, primero necesitamos saber más sobre los detalles de la programación de PLC.

Un programa de PLC consta de un conjunto de instrucciones, ya sea en forma textual o gráfica, que representa la lógica que gobierna el proceso que controla el PLC. Hay dos clasificaciones principales de lenguajes de programación de PLC, que se dividen a su vez en muchos tipos subclasificados.

  1. Lenguaje textual
    • Lista de instrucciones
    • Texto estructurado
  2. Forma gráfica

Aunque todos estos lenguajes de programación de PLC se pueden utilizar para programar un PLC, los lenguajes gráficos (como la lógica de escalera) suelen preferirse a los lenguajes textuales (como la programación de texto estructurado ).

Lógica de escalera

La lógica de escalera es la forma más simple de programación de PLC. También se conoce como «lógica de relé». Los contactos de relé utilizados en los sistemas controlados por relés se representan mediante lógica de escalera.
La siguiente figura muestra un ejemplo simple de diagrama de escalera.

Lógica de escalera
Lógica de escalera de PLC

En el ejemplo mencionado anteriormente, se utilizan dos botones para controlar la misma carga de lámpara. Cuando cualquiera de los interruptores está cerrado, la lámpara se iluminará.

Las dos líneas horizontales se llaman peldaños y las dos líneas verticales se llaman rieles. Cada peldaño forma la conectividad eléctrica entre el carril positivo (P) y el carril negativo (N). Esto permite que la corriente fluya entre los dispositivos de entrada y salida.

Diagramas de bloques funcionales

El diagrama de bloques funcional (FBD) es un método simple y gráfico para programar múltiples funciones en un PLC. PLCOpen ha descrito el uso de FBD en la norma IEC 61131-3. Un bloque de función es una unidad de instrucción de programa que, cuando se ejecuta, produce uno o más valores de salida.

Está representado por un bloque como se muestra a continuación. Se representa como un bloque rectangular con entradas que entran a la izquierda y líneas de salida que salen a la derecha. Da una relación entre el estado de entrada y salida.

Bloque funcional
Bloque funcional

La ventaja de utilizar FBD es que se puede utilizar cualquier número de entradas y salidas en el bloque funcional. Cuando utilice múltiples entradas y salidas, puede conectar la salida de un bloque de función a la entrada de otro. Mediante la construcción de un diagrama de bloques de funciones .

Ejemplo de diagrama de bloques funcionales
Ejemplo de diagrama de bloques funcionales

La siguiente figura muestra varios bloques de funciones utilizados en la programación FUP.

Programación de bloques funcionales
Programación de bloques funcionales

La siguiente figura muestra un diagrama de escalera y su bloque de función equivalente en notación Siemens.

Escalera al bloque funcional
Escalera al bloque funcional [ Fuente ]
Escalera al bloque funcional
Escalera al diagrama de bloques funcional [ Fuente ]

Programación de texto estructurado

El texto estructurado es un lenguaje de programación textual que utiliza declaraciones para determinar qué ejecutar. Sigue protocolos de programación más convencionales pero no distingue entre mayúsculas y minúsculas. Una serie de enunciados (lógica) está constituida por la expresión de asignaciones y relaciones utilizando varios operadores. Los operadores de texto de estructuras se enumeran a continuación en la imagen.

Programación de texto estructurado
Programación de texto estructurado

Ejemplos de programación de PLC

Se requiere encender una lámpara de señal si una bomba está funcionando y la presión es satisfactoria, o si el interruptor de prueba de la lámpara está cerrado. En esta aplicación, si debe haber una salida de la lámpara, se requieren entradas tanto de la bomba como de los sensores de presión. Por lo tanto, se utilizan puertas lógicas AND .

La lógica OR se utiliza para la condición de entrada de prueba, se requiere dar una salida de lámpara encendida independientemente de si hay una señal del sistema AND. Al usar la instrucción END o RET en el diagrama de contactos, podemos decir que el PLC ha llegado al final del programa. El diagrama de bloques de funciones y el diagrama de escalera se muestran a continuación en la figura.

Programa PLC para probar el encendido de la lámpara
Programa PLC para probar el encendido de la lámpara

Como otro ejemplo, considere una válvula que se va a operar para levantar una carga cuando una bomba está funcionando y el interruptor de elevación está operado o un interruptor operado que indica que la carga aún no ha sido levantada y está en la parte inferior de su canal de elevación. .

La lógica OR se usa para dos interruptores y una lógica Y se usa con dos interruptores y la bomba. La válvula se operará solo si la bomba está encendida y se operan dos interruptores.

Programa PLC para operar la válvula
Programa PLC para operar la válvula

Considere una máquina de bebidas que permita la selección de té o café, leche o sin leche, azúcar o sin azúcar, y proporcionará la bebida caliente requerida al insertar una moneda. En la figura que se muestra a continuación, se ve que se selecciona té o café utilizando la primera puerta lógica OR.

La primera puerta Y da una salida cuando se selecciona Té o café y se inserta una moneda en la máquina. La salida de esta puerta Y se da a la segunda puerta Y. La segunda puerta Y funciona solo cuando el agua caliente se combina con el té. La leche y el azúcar son adiciones opcionales que pueden ocurrir después de que se inserta una moneda.

Diagrama de bloques funcional de la máquina para beber
FBD para máquina de beber
Lógica de escalera para máquina de beber
Lógica de escalera para aplicaciones de máquinas de beber

Historia de los PLC

Muchos de los primeros PLC no eran capaces de representar gráficamente la lógica, por lo que se representaba como una serie de expresiones lógicas en un formato booleano (similar al álgebra booleana ).

A medida que evolucionaron los terminales de programación, se hizo más común el uso de lógica de escalera, porque era un formato familiar utilizado para paneles de control electromecánicos. Existen formatos más modernos, como la lógica de estado y los diagramas de bloques de funciones, pero todavía no son tan populares como la lógica de escalera.

Una posible razón de esto es que los programadores prefieren el atractivo más visual de la lógica de escalera sobre la programación de texto estructurado.

Hasta aproximadamente mediados de la década de 1990, los PLC se programaban utilizando paneles de programación patentados o terminales de programación de propósito especial, que a menudo tenían teclas de función dedicadas que representaban los diversos elementos lógicos de los programas de PLC.

Algunos terminales de programación patentados mostraban los elementos de los programas de PLC como símbolos gráficos, pero eran comunes las representaciones en código ASCII simple de contactos, bobinas y cables.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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