Curso de Controladores Lógicos Programables

1. Curso de Controladores Lógicos Programables

2. ¿ Que es un Controlador Lógico Programable? • Un Controlador Lógico Programable (Programable Logic Controler “PLC”), es un dispositivo digital utilizado para el control de máquinas y operación de procesos. • Es un aparato digital electrónico con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones permitiendo la implementación de funciones específicas como: lógica, secuencias, temporizado, conteo y aritmética; con el objeto de controlar máquinas y procesos.

3. Un Controlador Programable consta de 3 elementos principales: • El primero es el procesador, la unidad central de proceso del controlador programable. El procesador o CPU (Central Processing Unit) es el “cerebro” del controlador programable. Una vez que un programa (en la forma de diagrama de escalera) es introducido en el procesador, éste reside en la memoria hasta que sea cambiado por el usuario. • El segundo elemento principal es la estructura de entrada / salida (E/S). Esta provee la interfase entre la CPU y el proceso o maquinaria. La adición de los microprocesadores ha aumentado las posibilidades de simples funciones ON/OFF hasta hacer posible generación de reportes, control analógico, etc.. • El tercer elemento es el equipo de programación.

4. Estructura de un PLC • Para poder interpretar la estructura de un PLC utilizaremos un sencillo diagrama en bloques. • En la figura se muestran las tres partes fundamentales: las entradas, la unidad central de procesos (CPU) y las salidas.

5. La CPU • Es el cerebro del PLC, responsable de la ejecución del programa desarrollado por el usuario. Es la unidad principal de coordinación de todas las funciones o recursos de los distintos Procesadores Periférico, Procesador de entrada /salida, Procesador de Comunicaciones, Unidad de Memoria y Fuente de alimentación. • La CPU se comunica con las interfases de I/O por medio de un bus paralelo, que incluye un bus de datos y un bus de direcciones. Adicionalmente, un bus de alimentación provee alimentación eléctrica a las interfases de I/O.

6. Las Entradas • (interfases o adaptadores de Entrada) se encargan de adaptar señales provenientes del campo o niveles que la CPU pueda interpretar como información. Las señales del campo pueden implicar niveles y tipos de señal eléctrica diferentes a los que maneja la CPU.

7. Las Entradas A las entradas se conectan sensores que pueden ser: • Pulsadores • Llaves • Termostatos • Presostatos • Límites de carrera • Sensores de Proximidad • Otros elementos que generan señales binarias (ON-OFF)

8. Las Salidas • (interfases o adaptadores de Salida) comandan dispositivos de campo en función de la información enviada por la CPU. Las salidas comandan distintos equipos, por ejemplo: • Lámparas. • Sirenas y Bocinas. • Contactores de mando de Motores. • Válvulas Solenoide. • Otros elementos comandados por señales binarias.

9. Ejemplo de Encendido y Apagado de una lámpara a través del PLC

10. Clasificación de los PLC’s  Si deseamos establecer una clasificación de PLC’s, podemos considerar distintos aspectos: Por su Construcción • Integral. • Modular. Por su Capacidad • Nivel 1: Control de variables discretas y pocas analógicas, operaciones aritméticas y capacidad de comunicación elementales.

11. Clasificación de los PLC’s  • Nivel 2: Control de variables discretas y analógicas. Matemáticas de punto flotante. E/S inteligentes. Conexión en red. Gran capacidad de manejo de datos analógicos y discretos. Por Cantidad de E/S • Micro PLC (hasta 64 E/S). • PLC pequeño (65 a 255 E/S). • PLC mediano (256 a 1023 E/S). • PLC grande (más de 1024 E/S).

12. Clasificación por Construcción • La clasificación por su construcción distingue a los PLC’s que integran todas sus partes (E/S, CPU, Fuentes; Puertos de Comunicación, etc.) en una misma caja o gabinete, de los que están formados por módulos.

13. PLC integral • Es aquel que integra todas sus partes en una misma caja o gabinete. Se suele utilizar también la denominación de Compacto, pero la aparición de PLC’s modulares de pequeño tamaño hace que ésta resulte inadecuada. • El PLC integral suele tener muy pocas E/S, clasificándose en general como micro PLC.

14. PLC modular • Como su nombre lo indica, está formado por módulos. El equipo se arma sobre un bastidor o base de montaje (también llamada chasis o rack) en el cual se instalan la CPU, los módulos de entrada, los módulos de salida y otros periféricos. • El chasis contiene en su parte posterior los buses de datos, direcciones y alimentación del PLC, con conectores apropiados a los que se conecten los distintos módulos.

15. PLC modular • Por la forma que tienen estos módulos, es usual que se les denomine “tarjeta”. Así es muy frecuente encontrar la frase “tarjetas de entrada / salida en referencia a los módulos de entrada / salida. • La principal ventaja de un PLC modular frente a uno integral es evidente: el usuario puede componer su equipo con la cantidad y tipo de entradas y salidas que necesite, y luego puede ampliarlo agregando los módulos necesarios.

16. Clasificación por Capacidad • La clasificación por capacidad distingue dos niveles, en función de la complejidad de las instrucciones que el PLC puede manejar. • El nivel 1 identifica a un PLC con instrucciones sencillas y no muy potentes.

17. Clasificación por Capacidad • El nivel 2 identifica a los PLC’s con funciones de mayor complejidad. Algunas de las aplicaciones que podemos encontrar en un PLC de nivel 2, y que en general no estarán en un PLC de nivel 1 son: raíz cuadrada, logaritmo, antilogaritmo, aritmética de doble precisión y de punto flotante, funciones trigonométricas, diferenciación e integración, lazos PID, etc.

18. Clasificación por Cantidad de E/S • La clasificación por cantidad de E/S es arbitraria. A pesar de ello, este parámetro es el indicador que habitualmente define el PLC. Los fabricantes ofrecen características tales como capacidad de memoria, operaciones aritméticas, etc., en directa relación a la cantidad de entradas y salidas que el controlador puede manejar.

19. Entradas y Salidas • Las entradas y salidas son los elementos del PLC que lo vinculan al campo. En el caso de las entradas, adaptan las señales de sensores para que la CPU las reconozca. En el caso de las salidas, activan un circuito de conexión (transistor, triac o relé) ante una orden de la CPU.

20. Tipos de Entradas y Salidas • Discretas: También llamadas digitales, lógicas, binarias u “on-off ”, pueden tomar solo dos estados. La denominación de digital es más común que las discretas, aún cuando es incorrecta, ya que todas las funciones de un PLC, incluidas las E/S, son digitales. • Analógicas: Pueden tomar una cantidad de valores intermedios dentro de un cierto límite, dependiendo de su resolución. Por ejemplo: 0 a 10 Vcc, 4 a 20 mAcc, etc.

21. Tipos de Entradas y Salidas • Especiales: Son variantes de las analógicas, como las entradas de pulso de alta frecuencia, termocuplas, RTDs, etc. • Inteligentes: Son módulos con procesador propio y un alto grado de flexibilidad para su programación. Durante su operación intercambian datos con la CPU.

22. Entradas Discretas • Existe una variada gama de alternativas para éstos módulos, con lo que se puede optar por módulos con distintas cantidades de entradas y para distintos niveles de voltaje; las más comunes son: 24 Vcc, 24 Vca, TTL (5 Vcc), 110 Vca, 220 Vca, etc..

23. Entradas Discretas • La estructura típica de una entrada discreta puede separarse en varios bloques por donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0 o un 1 lógico para la CPU. Estos bloques son: Rectificador: En el caso de una entrada de corriente alterna, convierte la señal en continua. En el caso de una señal de corriente continua, limita o impide daños por inversión de polaridad.

24. Entradas Discretas Acondicionador de señal: Elimina ruidos eléctricos, detecta los niveles de señal para los que conmuta el estado lógico (umbral en on-off), y lleva la tensión al nivel manejado por la CPU.

25. Entradas Discretas Indicador de estado: En general se dispone de un indicador luminoso por canal, que está encendido mientras exista tensión en la entrada, y apagado en caso contrario. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si la tarjeta y su comunicación con la CPU no presentan fallas.

26. Entradas Discretas Aislamiento: Las entradas de la mayor parte de los PLC’s son opto aisladas para que, en caso de sobre tensiones externas, el daño causado no afecte más que a ese punto, sin perjudicar el resto de la tarjeta ni programarse al resto de PLC. Circuito lógico de entrada: Es el encargado de informar a la CPU el estado de la entrada cuando ésta la interrogue.

27. Salidas Discretas • Al igual que en el caso de las entradas discretas, la estructura típica de una salida discreta puede separarse en varios bloques por donde pasará la señal, hasta convertirse en un 0 o un 1 lógico para la CPU. Estos bloques son:

28. Salidas Discretas  Circuito lógico de salida: Es el receptor de la información enviada por la CPU.  Aislamiento: Cumple una función análoga a la aislación de una tarjeta de entradas discretas.

29. Salidas Discretas Indicador de estado: generalmente se utiliza un indicador de estado por canal, que se enciende cuando la salida está cerrada, y se apaga cuando está abierta. Un indicador adicional señala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si la tarjeta y su comunicación con la CPU no presentan fallas.

30. Salidas Discretas Circuito de conexión: Es el elemento de salida a campo, que maneja la carga conectada por el usuario. Como veremos luego, se dispone de tres opciones de circuitos de conexión: transistor, triac y relé.

31. Salidas Discretas Protección: Puede consistir en un fusible en serie con los contactos de salida, una protección electrónica por sobrecarga, o circuitos RC (resistivos-capacitivos), para eliminar picos generados por la naturaleza de la carga, en el caso de que ésta sea inductiva y la alimentación sea en corriente continua.

32. Entradas Analógicas • La principal tarea de una tarjeta de entrada analógica es precisamente la de convertir un valor analógico en un número de formato binario, por medio de un conversor A/D. • Una entrada analógica con un conversor de 8 bits podrá dividir un rango de 4 a 20 mA. en 256 valores. En cambio, con un conversor de 12 bits, tendrá que dividir el rango en 4096 valores. A lo anterior se le denomina Resolución.

33. Entradas Analógicas • Se define justamente como Resolución al mínimo cambio que un conversor puede discriminar en su entrada. • En la estructura de una entrada analógica podemos distinguir las siguientes partes básicas:  Protección: Impide daños al módulo y al resto del PLC por conexión con polaridad invertida o fuera del rango permitido.

34. Entradas Analógicas Filtro Analógico: Elimina posibles ruidos que ingresen por la instalación. Básicamente consiste en un filtro pasabajos, que permite que las señales de baja frecuencia lleguen al conversor A/D, evitando el paso de las señales de alta frecuencia. Multiplexado: Esta etapa consiste en un selector que envía un canal de entrada por vez al conversor A/D.

35. Entradas Analógicas Conversor A/D: Es el encargado de transformar la señal analógica en un número binario interpretable por la CPU. Aislación: En algunos equipos se dispone de opto-aisladores luego de conversor A/D, para separar la CPU del campo.

36. Entradas Analógicas  Buffer: Memoria donde se almacenan los valores que provienen del conversor, mientras éste opera sobre los demás canales. Aquí es donde la CPU lee los valores numéricos convertidos.  Las señales de entrada pueden ser por tensión o por corriente; en este último se utiliza una resistencia calibrada donde se mide la caída de tensión. Los valores comunes de señal son 4 a 20 mA., 1 a 5 Vcc, -5 a +5 Vcc ó 0 a 10 Vcc.

37. Salidas Analógicas • El concepto básico de funcionamiento es inverso al de una entrada analógica. Aquí la CPU emite un número binario a través del bus de datos, que debe convertirse en una señal analógica de corriente o de tensión. • Para las salidas analógicas valen las mismas consideraciones sobre resolución y exactitud explicadas para las entradas analógicas.

38. Salidas Analógicas • A diferencia del módulo de entradas analógicas, es frecuente que en el de salida analógica se disponga de un conversor D/A por canal. • Los módulos de salidas analógicas ofrecen 2, 4 ú 8 canales, en tensión o en corriente. La composición en bloques de un módulo de salida analógica incluye:

39. Salidas Analógicas Buffer: Memoria donde la CPU escribe los valores binarios a convertir por el conversor, mientras éste opera sobre los demás canales. Aislación: Optoaislación para separar la CPU del campo.

40. Salidas Analógicas Conversor D/A: Es el encargado de transformar el número binario enviado por la CPU en una señal analógica.  Protección: Se encarga de impedir daños al módulo por conexión con polaridad invertida o fuera del rango permitido.

41. Entradas / Salidas BCD • Muchos PLC’s pueden interpretar como números BCD (Binary Coded Decimal) las señales presentes en grupos de entradas discretas, o decodificar valores numéricos desde la CPU y convertirlos en un número BCD en salidas discretas. En la codificación BCD, cada cifra del sistema es representada por un número binario de cuatro cifras, desde 0000 (en correspondencia con el 0), hasta el 1001 (en correspondencia con el 9).

42. Entradas / Salidas BCD • Esto permite conectar al PLC dispositivos tales como llaves BCD, teclados de ingresos de datos y displays que utilicen esta codificación. • Para la implementación de E/S del tipo BCD pueden utilizarse módulos de E/S discreta, con una adecuada programación, o módulos especiales diseñados para este fin.

43. Entradas / Salidas Especiales • Dentro del sistema de E/S de un PLC se pueden instalar módulos dedicados a tareas especiales que no pueden ser resueltas eficientemente por la CPU. Así es que podemos encontrar algunos módulos denominados especiales, como los siguientes:

44. Entradas / Salidas Especiales Entradas de termocuplas: incluye un microprocesador para linealización de la señal de entrada, y una junta fría para compensación. Entradas de RTD: Incluye un microprocesador para linealización de la entrada.

45. Entradas / Salidas Especiales Entrada de pulsos de alta velocidad: El tiempo que le insume a la CPU resolver el programa del usuario hace que ésta no pueda leer pulsos de alta velocidad. Estos módulos poseen un procesador dedicado a esta función y pueden dar señales al campo y a la CPU al alcanzar valores prefijados.

46. Módulos Inteligentes • Con el objeto de descargar a la CPU de tareas que le insumen un tiempo que no es aceptable, o para las que ésta no está preparada, se dispone de módulos inteligentes. • Algunos de estos módulos cuentan con sus propias E/S, mientras que otros aprovechan la estructura de E/S que ofrece el PLC.

47. Módulos Inteligentes • Los módulos inteligentes poseen un procesador propio que funciona en forma asincrónica con el de la CPU. Ambos procesadores intercambian datos a través de la capacidad del módulo inteligente de leer y escribir ciertas posiciones de la memoria de la CPU principal. En algunos casos, la cantidad de datos que un módulo inteligente puede intercambiar con la CPU principal está limitada por el diseño del módulo.

48. Módulos Inteligentes • Algunos de estos módulos inteligentes son: Módulo BASIC: Programable en lenguaje BASIC, posee uno o varios puertos de comunicación RS-232 ó RS-422. Módulo PID: Este módulo resuelve uno o varios lazos PID en forma separada de la CPU principal. La configuración de os lazos se efectúa desde la CPU principal o directamente a través de un puerto RS-232 ó RS.422 que el módulo posee.

49. Módulos Inteligentes Módulo ASCII: Almacenan mensajes que pueden emitirse a través de sus puertos de comunicaciones por orden del programa de la CPU principal. Módulo de posicionamiento: Es una combinación de un módulo contador de alta velocidad con salida para motores. Se utilizan para resolver lazos de posicionamiento en aplicaciones de control numérico o robótica.

50. Módulos Inteligentes Módulo computador integrado: Son verdaderas computadoras, con teclado, pantalla, impresoras, conexión en red y almacenamiento masivo (ya sea en los clásicos discos rígidos o en disco RAM que emulan un disco rígido utilizando memoria RAM). Módulos de comunicación: Son módulos inteligentes especialmente dedicados a tareas de comunicación.