Controladores lógicos programables (PLC)
Un controlador lógico programable (PLC, por sus siglas en inglés) se define como un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de configuración de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y procesos.
Este tipo de procesadores se denomina lógico debido a que su programación básicamente tiene que ver con la ejecución de operaciones lógicas y de conmutación.En un principio, el propósito de estos controladores fue sustituir la conexión física de relevadores de los sistemas de control lógicos y de sincronización.
Los PLCs tienen la gran ventaja de que permiten modificar un sistema de control sin tener que volver a alambrar las conexiones de los dispositivos de entrada y de salida; basta con que el operador digite en un teclado las instrucciones correspondientes.
Si bien los PLCs son similares a las computadoras, tienen características específicas que permiten su empleo como controladores. Estas son:
1.Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y ruido.
2.La interfaz para las entradas y las salidas está dentro del controlador.
3.Es muy fácil programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La programación básicamente consiste en operaciones de lógica y conmutación.
Estructura básica
La CPU controla y procesa todas las operaciones dentro del PLC. Cuenta con un temporizador cuya frecuencia típica es entre 1 y 8 MHz.
Esta frecuencia determina la velocidad de operación del PLC y es la fuente de temporización y sincronización de todos los elementos del sistema. A través del sistema de bus se lleva información y datos desde y hacia la CPU, la memoria y las unidades de entrada/salida.
Los elementos de la memoria son: una ROM para guardar en forma permanente la información del sistema operativo y datos corregidos; una RAM para el programa del usuario y memoria buffer temporal para los canales de entrada/salida.
Procesamiento de la entrada/salida
La forma básica de programación más común en los PLC es la "programación de escalera". Ésta especifica cada una de las tareas de un programa como si fueran los peldaños de una escalera. En cada peldaño se especifica, por ejemplo, la revisión de los interruptores A y B (las entradas); si ambos están cerrados, se proporciona energía a un solenoide (la salida). En la siguiente sección se analiza con más detalle la programación en escalera.
La secuencia que sigue un PLC para realizar un programa se resume de la siguiente manera:
1.Explora las entradas asociadas a un peldaño del programa de escalera.
2. Solución de la operación lógica de cada una de las entradas.
3. Encendido/apagado de las salidas del peldaño.
4. Continua con el siguiente peldaño y repite los pasos 1, 2, 3.
5. Continua con el siguiente peldaño y repite los pasos 1, 2 y 3.
6. Continua con el siguiente peldaño y repite los pasos 1, 2 y 3.
Y así sucesivamente, hasta finalizar el programa.
Los peldaños del programa tipo escalera se exploran de acuerdo con la secuencia respectiva.Existen dos métodos para el procesamiento de entradas/salidas:
1. Por actualización continua
En este caso, la CPU explora los canales de entrada de acuerdo con la secuencia del programa. Cada punto de entrada se revisa por separado y se determina su efecto en el programa. Existe un retraso inherente, por lo general de unos 3 ms, cuando se revisa cada una de las entradas, para garantizar que el microprocesador sólo lea señales de entrada válidas. Antes de que el programa envíe la instrucción para ejecutar una operación lógica y se produzca una salida, se exploran varias entradas, cada exploración con un retraso de 3 ms. Las salidas quedan retenidas, de manera que su estado se mantiene hasta la siguiente actualización.
2. Por copiado masivo de entradas/salidas
Al inicio de cada ciclo de programa, la CPU muestrea todas las entradas y copia sus estados en las direcciones de entrada/salida de la RAM. Conforme se ejecuta el programa, se leen los dalos de entrada guardados en la RAM, según se requiera y se ejecutan las operaciones lógicas correspondientes.
Programación
La programación de un PLC mediante diagramas de escalera consiste en la elaboración de un programa de manera similar a como se dibuja un circuito de contactos eléctricos.
El diagrama de escalera consta de dos líneas verticales que representan las líneas de alimentación. Los circuitos se disponen como líneas horizontales, es decir, como si fueran los peldaños de una escalera, sujetos entre las dos líneas verticales.
Las entradas y las salidas están numeradas y la notación utilizada depende del fabricante del PLC; por ejemplo, en la serie F de PLC Mitsubishi antes de un elemento de entrada hay una X y antes de un elemento de salida, una Y; la numeración empleada es la siguiente:
Entradas X400-407,410-413
X500-507, 510-513 (24 entradas posibles)
Salidas Y430-437
Y530-537 (1.6 salidas posibles)
Las entradas y las salidas están numeradas y la notación utilizada depende del fabricante del PLC; por ejemplo, en la serie F de PLC Mitsubishi antes de un elemento de entrada hay una X y antes de un elemento de salida, una Y; la numeración empleada es la siguiente:
Entradas X400-407,410-413
X500-507, 510-513 (24 entradas posibles)
Salidas Y430-437
Y530-537 (1.6 salidas posibles)
Funciones lógicas
Las funciones lógicas se pueden obtener con una combinación de interruptores, ahora se verá cómo se pueden escribir programas tipo escalera para esas combinaciones.
1. AND (Y)
Si los interruptores A y B están cerrados, se obtiene la función lógica AND (Y). El diagrama de escalera empieza en 11, que es la entrada identificada como 1 y representa al interruptor A conectado en serie con 11, entrada identificada como 2, la cual representa al interruptor B. La línea termina en O y representa a la salida.
1. AND (Y)
Si los interruptores A y B están cerrados, se obtiene la función lógica AND (Y). El diagrama de escalera empieza en 11, que es la entrada identificada como 1 y representa al interruptor A conectado en serie con 11, entrada identificada como 2, la cual representa al interruptor B. La línea termina en O y representa a la salida.
2. OR(O)
El diagrama de escalera empieza en 11, denominado entrada 1, que representa al interruptor A, el cual está conectado en paralelo con | |, denominado entrada 2, que representa al interruptor B. La línea termina en O, que representa a la salida.
3. NOR (NO-O)
Dado que debe haber una salida cuando ni A ni B tengan entrada, entonces cuando existe entrada en A o en B no hay salida, el programa escalera muestra la entrada 1 en serie con la entrada 2, ambas representadas por contactos en general cerrados.
4. NAND (NO-Y)
No hay salida cuando tanto A como B tienen una entrada. El diagrama del programa de escalera indica que para que haya salida, ni la entrada 1 ni la entrada 2 deben tener entradas.
5.XOR (O EXCLUYENTE)
No hay salida cuando no hay entrada ni para la entrada 1 ni para la entrada 2 ni tampoco cuando hay entrada tanto en la entrada 1 como en la entrada 2. Nótese que las entradas están representadas por dos juegos de contactos, uno normalmente a-bierto y otro normalmente cerrado.
Mnemónicos
Otra manera de introducir un programa es traducir el programa escalera en instrucciones conocidas como mnemónicos; en este caso, cada línea de código corresponde a un elemento de la escalera; a continuación éstos se introducen en el panel de programación o en la computadora y se traducen a lenguaje de máquina.
Temporizadores, relevadores y contadores
El término punto se refiere a puntos de datos, es decir, un elemento temporizador, marcador (relevador interno) o contador. Por ejemplo, los 16 puntos en los temporizadores significan que existen 16 circuitos de temporización.
El término retraso a la activación significa que un temporizador debe aguardar un tiempo de espera antes de su activación. Los datos antes proporcionados se refieren a un periodo cuyo valor puede ser establecido entre 0.1 y 999 s, con incrementos de 0.1 s. También existen otros valores para los rangos e incrementos del tiempo de espera.
Temporizadores
Para especificar un circuito de temporización hay que indicar cuál es el intervalo de temporización, así como las condiciones o eventos que producirán la activación y paro de dicho temporizador.
En términos generales, es posible establecer un símil entre temporizadores y relevadores con bobinas ya que éstos, una vez que reciben energía, cierran o abren contactos después de transcurrido determinado tiempo preestablecido.
Cuando se recibe una entrada, se activa el temporizador y se inicia la temporización. Después de determinado tiempo, los contactos asociados con el temporizador se cierran y se produce la salida.
Relevadores internos
Los términos relevador interno, relevador auxiliar o marcador se refieren a todo lo que se puede considerar un relevador interno del PLC. Si bien éstos se comportan como relevadores con sus respectivos contactos asociados en realidad no son verdaderos contactos, sino simulaciones del software del PLC.
Algunos tienen respaldo de baterías y se emplean en circuitos para garantizar el corte de energía en plantas cuando hay una interrupción del suministro eléctrico.
Los relevadores internos son muy útiles en la implantación de secuencias de conmutación.
Saltos
Una función frecuente en los PLCs es la de salto condicional. Mediante ésta se designan programas para que, si existe cierta condición, se produzca un salto en la secuencia de ejecución del programa a otra sección de éste.
Después de una sección del programa, A, se encuentra el peldaño del programa con la entrada 1 y el relevador de salto condicional CJP.
En algunas tareas de control conviene utilizar grupos de bits relacionados entre sí, por ejemplo, un bloque de ocho entradas, y manejarlos como una palabra de datos. Estas situaciones se presentan cuando un sensor entrega una señal analógica, que se convierte, por ejemplo, a una palabra de 8 bits antes de entrar a un PLC.
Las operaciones que los PLC pueden realizar con palabras de datos, en general incluyen:
1. Transporte de datos.
2. Comparación de la magnitud de los datos, es decir, mayor que, igual a, o menor que.
3. Operaciones aritméticas como la suma y la resta.
4. Conversiones de decimales codificados en binario (BCD) a binario y octal.
Para desplazar datos la instrucción correspondiente debe contener la instrucción de desplazamiento de datos, la dirección de origen de los datos y la dirección de destino de éstos. Así, cuando los datos se transfieren del registro de datos D1 al registro de datos D2 serán:
El motivo de dicha transferencia de dalos puede ser el llevar una constante a un registro do datos, un valor de temporización o de conteo a un registro de datos, datos de un registro de datos a un temporizador o a un contador, datos de un registro de datos a una salida, datos de entrada a un registro de datos, etcétera.
En general, los PLCs realizan comparaciones de datos como menor que (en general representado por < o LES), igual a (= o EQU), menor o igual que (< o <= o LEQ), mayor que (> o GRT), mayor o igual que{> o>=oGEQ) y diferente de { ^o <> o EQ). Para comparar datos, el programa emplea una instrucción de comparación, la dirección de origen de los datos y la dirección de destino. Para comparar los datos del registro de datos D1 para determinar si son mayores que los datos del registro de datos D2, el peldaño del programa de escalera sería como el de la figura y las instrucciones serian:
Algunos PLC sólo efectúan operaciones aritméticas de suma y resta; otros cuentan con más funciones aritméticas. La instrucción para sumar o restar en general requiere la instrucción, el registro que contiene la dirección del valor que se va a sumar o a restar, la dirección de la cantidad a la que se va a añadir o a restar el valor y el registro en donde se guardará el resultado.
La suma o la resta se pueden usar para modificar el valor de determinado valor de entrada de un sensor, quizás un término de corrección o corrimiento, o para alterar valores predeterminados de temporizadores contadores.
Es frecuente encontrar sensores que producen señales analógicas, así como actuadores que requieren señales analógicas. Por ello, algunos PLC deben tener un módulo para conversión de señales analógicas a digitales en los canales de entrada, así como un módulo para conversión de señales digitales a analógicas en los canales de salida.
Un PLC equipado con canales de entrada analógica se puede aprovechar para seguir una función de control continuo, es decir, un control PID.
Si se produce la entrada 1, el programa salta al peldaño que contiene el final del salto EJP, y continúa con la sección del programa designada como C; de otra forma, continúa con los peldaños del programa designados como programa B.
Manejo de datos
Las operaciones que los PLC pueden realizar con palabras de datos, en general incluyen:
1. Transporte de datos.
2. Comparación de la magnitud de los datos, es decir, mayor que, igual a, o menor que.
3. Operaciones aritméticas como la suma y la resta.
4. Conversiones de decimales codificados en binario (BCD) a binario y octal.
Desplazamiento de datos
Para desplazar datos la instrucción correspondiente debe contener la instrucción de desplazamiento de datos, la dirección de origen de los datos y la dirección de destino de éstos. Así, cuando los datos se transfieren del registro de datos D1 al registro de datos D2 serán:
El motivo de dicha transferencia de dalos puede ser el llevar una constante a un registro do datos, un valor de temporización o de conteo a un registro de datos, datos de un registro de datos a un temporizador o a un contador, datos de un registro de datos a una salida, datos de entrada a un registro de datos, etcétera.
Comparación de datos
En general, los PLCs realizan comparaciones de datos como menor que (en general representado por < o LES), igual a (= o EQU), menor o igual que (< o <= o LEQ), mayor que (> o GRT), mayor o igual que{> o>=oGEQ) y diferente de { ^o <> o EQ). Para comparar datos, el programa emplea una instrucción de comparación, la dirección de origen de los datos y la dirección de destino. Para comparar los datos del registro de datos D1 para determinar si son mayores que los datos del registro de datos D2, el peldaño del programa de escalera sería como el de la figura y las instrucciones serian:
Operaciones Aritmeticas
Algunos PLC sólo efectúan operaciones aritméticas de suma y resta; otros cuentan con más funciones aritméticas. La instrucción para sumar o restar en general requiere la instrucción, el registro que contiene la dirección del valor que se va a sumar o a restar, la dirección de la cantidad a la que se va a añadir o a restar el valor y el registro en donde se guardará el resultado.
La suma o la resta se pueden usar para modificar el valor de determinado valor de entrada de un sensor, quizás un término de corrección o corrimiento, o para alterar valores predeterminados de temporizadores contadores.
Entrada/salida analóga
Es frecuente encontrar sensores que producen señales analógicas, así como actuadores que requieren señales analógicas. Por ello, algunos PLC deben tener un módulo para conversión de señales analógicas a digitales en los canales de entrada, así como un módulo para conversión de señales digitales a analógicas en los canales de salida.
Un PLC equipado con canales de entrada analógica se puede aprovechar para seguir una función de control continuo, es decir, un control PID.
Por ejemplo, para un control proporcional de una entrada analógica se lleva a cabo el siguiente conjunto de operaciones:
1.Convertir la salida del sensor en una señal digital.
2.Comparar la salida del sensor convertida con el valor requerido del sensor, es decir, el valor de calibración, y obtener la diferencia. Esta diferencia es el error.
3.Multiplicar el error por la constante de proporcionalidad Kp.
4.Transferir este resultado a la salida que va al convertidor de señal digital a analógica y utilizar el resultado como señal de corrección para el actuador.
Al evaluar la capacidad y tipo de PLC necesario para llevar a cabo una tarea, los factores que se deben tener en cuenta son:
1. ¿Qué capacidad de entrada/salida se requiere? Es decir, la cantidad de entradas/salidas, la capacidad de expansión para necesidades futuras.
2. ¿Qué tipo de entradas/salidas se requieren? Es decir, tipo de aislamiento, fuente de alimentación incluida para entradas/salidas, acondicionamiento de señal, etcétera.
3. ¿Qué capacidad de memoria se necesita? Esto tiene relación con la cantidad de entradas/salidas y la complejidad del programa utilizado.
4. ¿Qué velocidad y capacidad debe tener la CPU? Esto tiene relación con cuántos tipos de instrucciones manejará el PLC. Cuantos más tipos haya, más rápida deberá ser la CPU. Asimismo. cuanto mayor sea la cantidad de entradas/salidas que se manejen, más rápida tendrá que ser la CPU requerida.
1.Convertir la salida del sensor en una señal digital.
2.Comparar la salida del sensor convertida con el valor requerido del sensor, es decir, el valor de calibración, y obtener la diferencia. Esta diferencia es el error.
3.Multiplicar el error por la constante de proporcionalidad Kp.
4.Transferir este resultado a la salida que va al convertidor de señal digital a analógica y utilizar el resultado como señal de corrección para el actuador.
Selección de un PLC
Al evaluar la capacidad y tipo de PLC necesario para llevar a cabo una tarea, los factores que se deben tener en cuenta son:
1. ¿Qué capacidad de entrada/salida se requiere? Es decir, la cantidad de entradas/salidas, la capacidad de expansión para necesidades futuras.
2. ¿Qué tipo de entradas/salidas se requieren? Es decir, tipo de aislamiento, fuente de alimentación incluida para entradas/salidas, acondicionamiento de señal, etcétera.
3. ¿Qué capacidad de memoria se necesita? Esto tiene relación con la cantidad de entradas/salidas y la complejidad del programa utilizado.
4. ¿Qué velocidad y capacidad debe tener la CPU? Esto tiene relación con cuántos tipos de instrucciones manejará el PLC. Cuantos más tipos haya, más rápida deberá ser la CPU. Asimismo. cuanto mayor sea la cantidad de entradas/salidas que se manejen, más rápida tendrá que ser la CPU requerida.
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