Introducción A Los PLC
Introducción A Los PLC
Introducción A Los PLC
Captulo 1. Generalidades
Introduccin
El Controlador Lgico Programable o PLC, puede ser considerado como una caja negra que contiene un conjunto de entradas y salidas, en las cuales se conectarn directamente los elementos primarios y finales de control. Es capaz de controlar un proceso, por medio de dichos dispositivos y la programacin de la lgica adecuada.
En este captulo, el lector tiene una acercamiento al PLC y conoce sus caractersticas. Se definir al PLC, y de manera general se explican sus caractersticas
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Captulo 1. Generalidades
Resea Histrica
Los PLC's se introdujeron por primera vez en la industria en 1960 aproximadamente. La razn principal de tal hecho fue la necesidad de eliminar el gran costo que se produca al reemplazar el complejo sistema de control basado en rels y contactores. Bedford Associates propuso algo denominado Controlador Digital Modular (MODICON, MOdular DIgital CONtroler) a un gran fabricante de vehiculos. As el MODICON 084 result ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente. El problema de los rels era que cuando los requerimientos de produccin cambiaban tambin lo haca el sistema de control. Esto comenz a resultar bastante caro cuando los cambios fueron frecuentes. Dado que los rels son dispositivos mecnicos y poseen una vida limitada se requera una estricta manutencin planificada. Por otra parte, a veces se deban realizar conexiones entre cientos o miles de rels, lo que implicaba un enorme esfuerzo de diseo y mantenimiento. Los "nuevos controladores" deban ser fcilmente programables por ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida deba ser largo y los cambios en el programa tenan que realizarse de forma sencilla. Finalmente se impona que trabajaran sin problemas en entornos industriales adversos. La solucin fue el empleo de una tcnica de programacin familiar y reemplazar los rels mecnicos por rels de estado slido. A mediados de los 70 las tecnologas dominantes de los PLCs fueron Modicon y Allen Bradley. Las habilidades de comunicacin comenzaron a aparecer en 1973 aproximadamente. El primer sistema fue el bus Modicon (Modbus). El PLC poda ahora dialogar con otros PLC's y en conjunto podan estar aislados de las mquinas que controlaban. Tambin podan enviar y recibir seales de tensin variables, entrando en el mundo analgico. Desafortunadamente, la falta de un estndar acompaado con un continuo cambio tecnolgico ha hecho que la comunicacin de PLC's sea un mar de 2 de 52
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Captulo 1. Generalidades
Definicin
Circuito electrnico basado en microprocesador, usado en una gran variedad de industrias, que nos permite controlar sistemas, procesos mquinas. Contiene dos conjuntos, principales, de puntos de conexin conocidos como entradas y salidas. El estado de las salidas, dependen del estado de las entradas y la lgica del programa. La sigla PLC define sus caractersticas principales: Controla una planta por medio de la lgica definida en el programa de usuario, y es programable tantas veces como sea necesario. A ste nivel, no se profundiza hacia el interior, sino se considera como una caja negra que manipula seales a las salidas, por medio del estado de las entradas y la lgica asociada. Nos permite controlar un sistema, haciendo uso de los puntos de conexin de entradas y salidas. A travs de dichos puntos se interconecta con los elementos, Los programas se constituyen de un conjunto de instrucciones lgicas, Aunque actualmente los PLC son muy poderosos y manejan un conjunto de
Controlador
Lgico
Es capaz de almacenar el programa de usuario en memoria Programable no voltil, As mismo es reprogramable tantas veces como La siguiente figura muestra al PLC en su forma ms general, con su conjunto de elementos de entradas y salidas de campo (interruptores. Motores, etc.), su sistema de entradas y salidas, su configuracin interna y la conexin de perifricos para la programacin.
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Tipos de PLC
Las caractersticas del PLC dependen de aquellas que posee cada uno de sus componentes. Existen aquellos compuestos de una sola unidad, llamados integrados o compactos, as como los modulares, esto es, se componen de varios mdulos. Esta caracterstica (que se puede integrar por mdulos) le provee de una gran flexibilidad al usuario final, puesto que puede seleccionar cada uno de los mdulos con las caractersticas especficas que requiere. Es un PLC completo, aunque de tamao pequeo, e integra todos los componentes, el CPU, el mdulo de memoria, los puntos de entrada y salida, la batera, generalmente la fuente, y en muchas ocasiones hasta el cable de comunicacin y el software de interfaz para computadora, forman parte del mismo paquete comercial; aunque, desde luego, estos ltimos no estn integrados en la unidad. Se componen de diversos elementos capaces de agruparse con otros semejantes, denominados mdulos. Estos se seleccionan y se integran de acuerdo a la necesidad del usuario final Un sistema modular tpico se compone de: la tarjeta madre (chasis o rack), el CPU o procesador, el mdulo de memoria, y los mdulos de entrada y los de salida, que pueden ser digitales o analgicos y con un amplio rango de diferencias entre ellos. Pueden adicionarse mdulos especializados, que realizan una tarea de control especfica y compleja
Modelos Integrados
Modelos Modulares
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Componentes
El PLC es un dispositivo electrnico basado en un microprocesador y que contiene algunos otros circuitos adicionales que interactan con ste. Entre sus componentes principales se encuentran los siguientes: Fuente de poder. Proporciona energa (DC) a los circuitos electrnicos que conforman al controlador. Su entrada puede ser AC o DC, con valores de voltaje tpicos como 220V, 115V, 24V 12V. Unidad Central de Proceso. (Tambin llamada CPU). Realiza las operaciones aritmticas y lgicas, y adems controla la secuencia de ejecucin del programa, Coordina la comunicacin requerida entre los diversos circuitos, entre otras funciones. Mdulos de entrada. Reciben las seales elctricas directamente de los dispositivos primarios de control. Mdulos de salida. Envan seales a los elementos finales de control, controlado as el estado que stos mantengan. Batera. Mantiene energizada la memoria RAM que almacena el programa mientras el PLC permanece desenergizado. El PLC, con batera, generalmente puede mantener el programa durante alrededor de tres meses. La vida til de la batera, vara de 1 a 3 aos. En aquellos PLCs que contienen memoria no voltil (ROM o de cualquier otro tipo), la batera no es indispensable. Memoria o mdulo de memoria. Almacena el programa de la aplicacin. Esta puede ser de tipo voltil o no voltil (RAM o ROM). Puerto de comunicaciones. Permite al PLC establecer comunicacin e intercambiar informacin con dispositivos externos, ya sea otros PLCs, Interfaz (MMI), unidades de programacin, perifricos, o alguna otra unidad conectada en red.
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Estndar IEC 61131
En la actualidad an siguen persistiendo sistemas de control especficos del fabricante, con programacin dependiente y conexin compleja entre distintos sistemas de control. Esto significa para el usuario costos elevados, escasa flexibilidad y falta de normalizacin en las soluciones al control industrial. El estndar IEC 61131 es el primer paso en la estandarizacin de los PLCs y sus perifricos, incluyendo los lenguajes de programacin que se deben utilizar. Esta norma se divide en cinco partes: Parte 1: Vista general. Parte 2: Hardware. Parte 3: Lenguaje de programacin. Parte 4: Guas de usuario. Parte 5: Comunicacin.
Sistemas de numeracin
Al trabajar con circuitos electrnicos se utilizan sistemas numricos no comunes, tan efectivos como el decimal, para resolver problemas numricamente. Como base de las matemticas por computadora usamos el sistema binario, til para trabajar con dispositivos capaces de conmutar entre dos estados, adems de el octal y hexadecimal. Se debe mencionar que es posible generar un sistema numrico utilizando como base cualquier cantidad entera positiva.
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Sistema Numrico Decimal
Tambin se conoce, al sistema numrico decimal, como: sistema numrico de base diez; dado que se utilizan diez smbolos diferentes para representar cantidades (0, 1, 2, 3, 4, 5 ,6 ,7 ,8 ,9). En el sistema numrico decimal la ensima posicin hacia la derecha tiene un valor de posicin de 10^(n-1) (la base del sistema numrico elevada a la potencia ensima menos uno, esto equivale a diez unidades (10 multiplicado por s mismo n veces). 10^(n-1) = 10 x 10 x 10 x x 10, (n-1 veces) siendo n el nmero de posiciones pre-establecido.
Tambin se conoce al sistema numrico binario como de base dos, porque utiliza dos smbolos diferentes para representar cantidades (0 , 1). Los smbolos se ordenan de acuerdo a un valor de posicin para que sea posible trabajar exitosamente con el sistema numrico binario. En el sistema numrico binario, la primera posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 2 (la base del sistema numrico) elevada a la potencia cero, esto equivale a una unidad. La segunda posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 2 (la base del sistema numrico) elevada a la potencia uno, esto equivale a dos unidades (2 multiplicado por s mismo una vez). As, sucesivamente, la n posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 2 (la base del sistema numrico) elevada a la potencia n-1, esto equivale a 2 multiplicado por s mismo n-1 veces.
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Sistema Numrico Octal
Tambin se conoce al sistema numrico octal, como de base ocho, porque utiliza ocho smbolos diferentes para representar cantidades (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). En el sistema numrico octal la primera posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 8 (la base del sistema numrico) elevada a la potencia cero, esto equivale a una unidad. La segunda posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 8 (la base del sistema numrico) elevada a la potencia uno, esto equivale a ocho unidades ( 8 multiplicado por s mismo una vez). La n posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 8 (la base del sistema numrico) elevada a la potencia n-1, esto equivale a 8 multiplicado por s mismo n-1 veces.
Tambin se conoce al sistema numrico hexadecimal, como de base diecisis, porque utiliza diecisis smbolos diferentes para representar cantidades (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F). En el sistema numrico hexadecimal, la primera posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 16 (la base del sistema numrico) elevada a la potencia cero, esto equivale a una unidad. La segunda posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 16 elevado a la potencia uno, esto equivale a diecisis unidades (16 multiplicado por s mismo una vez). En el sistema numrico hexadecimal, la n posicin de la derecha tiene un valor de posicin de 16 (la base del sistema numrico) elevada a la potencia n-1, esto equivale a 16 multiplicado por s mismo n-1 veces.
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Captulo 1. Generalidades
lgebra de Boole
Fue introducida por George Boole en 1854 en su trabajo An Investigation of the Laws of Thought. En 1938, Shannon advirti que era adecuada para la sntesis de circuitos mediante rels. Hoy constituye el fundamento matemtico del diseo lgico de PLCs. Definicin 1: Una operacin binaria sobre un par ordenado de elementos de un conjunto, determina un nico elemento. Si este elemento pertenece tambin al conjunto, entonces se dice que la operacin binaria satisface la propiedad de clausura. Definicin 2: Un sistema algebraico integrado por un conjunto B de elementos {a, b,...} y dos operaciones binarias + y . que satisface la propiedad de clausura, se dice que es un lgebra de Boole, si se satisfacen los siguientes postulados: P1) Las operaciones + y . son conmutativas: a+b = b+a a.b = b.a a, b B
P4) a B a B /:
Los smbolos (ANSI/IEEE) mas utilizados para la representacin del lgebra de Boole se muestran en la siguiente figura, con sus respectivas tablas de resolucin.
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Lgica combinatoria
Un circuito de lgica combinatoria es aquel en que la salida depende del estado momentneo de las seales de entrada. Esto significa que, dependiendo de las interconexiones entre entradas, ya sean fsicas o virtuales, se determina el estado de las salidas. sta tarea de lgica, es precisamente la que realiza el PLC, pero es necesario programarla previamente, para que la realice dicho dispositivo. A continuacin se nombran los principales tipos de lgicas combinatorias. COMBINACIN: si A, entonces B. En el caso de una entrada cuya posicin normal es no actuada y condiciona a una o ms salidas, se tendr seal de salida en nivel alto, cuando la entrada sea verdadera.
COMBINACIN: si A y B, entonces C. En el caso de dos entradas conectadas en forma serial que guardan la misma posicin normal no actuada, y condicionen a una salida, se tiene seal de salida solo cuando las dos entradas son verdaderas simultneamente.
COMBINACIN: si A o B, entonces C. En el caso de dos entradas en paralelo, que guardan la misma posicin normal no actuada, que condicionen a una salida, se tiene salida cuando est presente cualquiera de las seales de entrada sea verdadera.
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Lgica secuencial
En los circuitos de lgica secuencial las salidas no dependen nicamente del estado actual o momentneo de las entradas, como es el caso de los circuitos de lgica combinatoria, sino tambin de sus estados previos. Dentro de la secuencia existen elementos de memoria que guardan el estado de las entradas an cuando ya hayan conmutado nuevamente a su estado original. Tales estados son mantenidos hasta que se les ordene restablecerse. Este tipo de comportamiento secuencial de un circuito puede ser descrito perfectamente por medio de un diagrama de tiempos. Existen circuitos asncronos, que son aquellos en los que el cambio depende de la secuencia de eventos y existen circuitos sincrnicos, cuya caracterstica principal es, que dependen de una seal de reloj para cambiar de estado; de manera que las seales, todas, conmutan sincronizadamente. A continuacin se muestra los principales lgicas secuenciales. Lgica tipo memoria. Observe el siguiente circuito de rels, note que el enclavamiento, contacto de retencin o sello acta reteniendo el estado de energizado del elemento final de control. A este comportamiento se le conoce como circuito de memoria, y es bsico para desarrollar circuitos de lgica secuencial.
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Aplicacin
Las primeras aplicaciones del PLC consistan en realizar operaciones de control de tipo Todo-Nada en la mquina, esto quiere decir que era capaz de conmutar elementos por medio de energizar y desenergizar elementos tales como arrancadores, relevadores, vlvulas, entre otros dispositivos de dos estados. En el rea de control de procesos, esto representa tener el poder de controlar una variable tal como la presin, temperatura, el nivel; entre otros, por medio de la manipulacin de dispositivos con contactos; as se realiza con los interruptores de flotador, termostatos, controladores de presin (presostatos), etc. Sin embargo, actualmente los controladores programables pueden realizar una gran cantidad de funciones adicionales, lo cual los hace ms tiles en el control continuo de procesos y control de movimiento de los mecanismos, entre otros tipos de control especializado. Adems, los PLCs cuentan con la caracterstica de expansin lo que posibilita la adicin de mdulos opcionales de entradas y /o salidas (mdulos I/O) ya sean de tipo digital analgico, a los mdulos de salida de relevador o de estado slido. Se puede afirmar que, actualmente, con los PLC se puede resolver casi cualquier problema de aplicacin de control. El campo de aplicacin de los PLCs se han extendido enormemente. Enseguida se enlistan algunas de las aplicaciones tpicas en las reas de automatizacin de planta, manejo de materiales y robtica: - Control de diversos tipos de manipuladores y robots. - De mquinas de inyeccin. - De dispositivos de transferencia automtica. - Control ambiental en casas y edificios, entre otras aplicaciones domsticas.
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Procesador
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Ejecutar programa.
Durante esta fase del ciclo de barrido, el procesador ejecuta el programa tal como se encuentra almacenado, iniciando con la primera instruccin del primer escaln y hasta encontrar la instruccin END. El PLC procesa cualquier seal que se reciba a travs de los puertos de comunicacin, bien sea del mismo PLC o de otros sistemas. Aqu, el PLC realiza un chequeo de su firmware, su memoria de programa y el estado de los mdulos de entrada y salida. Al final de scan, el procesador escribe en el registro de imagen de salidas, el nuevo estado que tomarn stas.
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Configuracin del usuario por hardware , que se realiza por a travs de dip switchs o agregando hardware y donde el usuario puede escoger la cantidad de entradas, salidas y registros internos, as como la distribucin de la memoria.
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(Read Only PROM Es un circuito de memoria que, (Programmabl adems de poseer las caractersticas e de tipo ROM, es programable por EPROM (Erasable EEPROM (Electrically Erasable and NVRAM (NoOtros
Este circuito adiciona la caracterstica de ser borrable por medio de alguna tcnica especial como la incidencia de rayos UV, a las del tipo PROM. Este circuito posee las caractersticas del EPROM, pero el borrado y la reescritura se realiza por medio de impulsos elctricos. Al eliminar la necesidad de utilizar una tcnica especial para dicho propsito, Este tipo de mdulo posee las caractersticas de un RAM, pero tiene la capacidad de retener los datos almacenados por un periodo Existen otras variantes en los tipos de memoria, dado que es un componente clave en el PLC, es
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La tensin sensada por un mdulo de entradas puede ser generada por el propio PLC o por una fuente externa dependiendo de las caractersticas del mdulo en cuestin. Cuando el PLC est en operacin, el mdulo de entrada sensa la tensin que se le suministra al contacto de entrada y lo transforma a un nivel lgica para ser manejado por el microprocesador. Un nivel lgico de 1 indica la presencia de tensin en el terminal correspondiente en el mdulo de entrada indicando que el elemento conectado a tal entrada est encendido o cerrada. Un nivel lgico de 0 indica la ausencia de tensin y corresponder a un elemento apagado o abierto. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un mdulo de entradas discretas. La seal enviada desde el elemento sensor instalado en campo (interruptores, presostatos) va a un puente rectificador (solo en caso de un mdulo de entrada AC), de all la seal pasa a un filtro de ruido que elimine impurezas que pueda tener la seal, es entonces cuando un detector de umbral sensa y define el nivel lgico de la seal (1 o 0), luego pasa a un aislador que permite 21 de 52
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Se debe tener especial cuidado con el tipo de carga en la eleccin del mdulo de salida a utilizar, ya que los mdulos pueden ser tipo fuente (source) o tipo sumidero (sink), y la carga y el mdulo deben hacer perfecto engranaje
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El proceso de adquisicin de la seal analgica consta de varias etapas: - Muestreo. - Filtrado. - Conversin A/D. - Memoria interna. El siguiente diagrama de bloques indica como funciona un mdulo de entrada analgica.
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El procesador enva la seal de salida al convertidor digital - analgico que convierte la seal binaria en25 una de 52
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El Diagrama de Escalera o diagrama de contactos de origen norteamericano no naci como una posible herramienta de visualizacin de programa ya escritos en lista de instrucciones, sino como trascripcin directa de los esquemas elctricos de rels ( circuitos de mando) de uso comn en la automatizacin previa a la aparicin de los sistemas programables. Por esta razn, los diagramas de contactos incluyen desde sus orgenes bloques funcionales que ya aparecan como elementos propios en aquellos esquemas, los temporizadores y los contadores. Utilizando estos bloques sobre los cuales pueden definirse la base de los tiempos y el tiempo final en el caso de temporizadores y el mdulo de contaje y condiciones de paro y reset en el caso de contadores, el lenguaje de contactos permite programar directamente cualquier esquema elctrico de rels. Sin embargo, y al igual que ocurra en los lenguajes por lista de instrucciones y Booleanos, tambin en este se desarrollan bloques funcionales complejos que permiten la manipulacin de datos y las operaciones con variables digitales de varios bits. 30 de 52
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La programacin por diagramas lgicos, que deriva de la representacin por logigrama habitual entre los tcnicos en electrnica digital, incluye como bloques normalizados algunas funciones secuenciales tpicas en automatizacin como temporizadores y contadores, e incluso algunos bloques combinacionales y de tratamiento numricos, como multiplexores, demultiplexores, sumadores, multiplicadores, etc., pero no alcanza la multitud de funciones que han ido aadindose a las listas de instrucciones y diagramas de contactos, como extensiones a estos lenguajes. Por esta razn, y en sentido estricto, la programacin por diagramas lgicos queda reservada a aplicaciones en las que solo intervengan variables booleanas todo nada, y algunos bloques secuenciales elementales: temporizadores, contadores, registros de desplazamiento, etc. Esta circunstancia, unida al desconocimiento del diagrama lgico por parte del usuario habitual del PLC, explica la baja difusin de estos lenguajes de programacin.
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de
clculo
repetitivo
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Aunque tienen bastante tiempo en el mercado y han probado su eficiencia, hay quien los considera en proceso de evolucin. Sin embargo, los SFC prometen en un futuro no lejano, una estandarizacin de la programacin, entre muchas otras ventajas. Se basan en el estndar IEC 61131. Los SFC ms populares, en Europa, son el llamado Grafcet, y el FUP, mientras que algunos fabricantes japoneses le llaman STL, a una versin muy acorde al 33 de 52 SFC. El SFC, ms que un lenguaje de programacin,
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Para programar usando lenguaje similar a BASIC o C. Seleccione un lenguaje de alto nivel si usted est: - ms familiarizado con lenguajes de programacin tal como BASIC, C, FORTRAN que con lgica de escalera. - usando algoritmos matemticos complejos - usando construcciones de programa que se repiten o forman lazos - creando pantallas personalizadas de monitorizacin de tabla de datos
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Instruccin XIO
Instruccin OTE
Instruccin OTL
Instruccin OTU
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Instruccin TOF
Instruccin RTO
Instruccin CTU
Instruccin CTD
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Las fuentes de alimentacin debern ocupar una posicin por encima del resto de componentes y en la parte superior del armario, ya que son generadores de calor.
La unidad central ocupar una posicin adyacente o por debajo de las fuentes de alimentacin, en la zona superior del armario, quedando a una altura que facilite su inspeccin.
Los racks de E / S estarn dispuestos de la forma ms conveniente para el acceso y cableado, en el espacio libre.
Se dejarn espacios suficientes entre los componentes y entre estos y la envolvente para una adecuada disipacin del calor.
Para el resto de componentes del sistema, se recomienda su instalacin en posiciones lo ms alejadas del equipo que sea posible, principalmente si se trata de componentes electromecnicos, para minimizar las interferencias electromagnticas.
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Puesta a tierra
Se seguir lo especificado en la normativa vigente y las recomendaciones del fabricantes, pero hay que recordar que cada una de las estructuras ( racks ) del PLC, debe estar unida mediante un cable independiente de seccin adecuada, a la pletina de tomas de tierra del armario. Nunca deben compartirse circuitos de tierra entre racks o con otros componentes del sistema. con independencia del PLC, para permitir la parada del sistema an en caso de avera del mismo; en general, deben actuar sobre un contactor de maniobra que corta la alimentacin a las cargas de la instalacin.
En general, o por lo menos para los dispositivos de Circuito de los salida, es deseable que exista un contactor de disposicin de E / S
maniobra que permita cortar la alimentacin de esos elementos y que har posible trabajar con seguridad en la puesta a punto o investigacin de averas, con el PLC alimentado.
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1.- Observacin de los indicadores de diagnstico del procesador. 2.- Cambio de las bateras antes de que se cumpla la fecha limite para su sustitucin; en todo caso existe un indicador de "batera baja" que puede registrarse en una secuencia de programa y generar una alarma. 3.- Observar los indicadores de "fusible fundido" de los mdulos de salida. En general. la existencia de un fusible fundido se detectar por un funcionamiento anmalo del sistema pero para algunas cargas de funcionamiento espordico esta circunstancia podra pasar desapercibida si no se inspecciona el mdulo. 4.- Observar las conexiones en el cableado de los mdulos de E / S y las conexiones de los mdulos al rack para comprobar si siguen perfectamente asentados y sujetos
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Glosario
Definiciones
En esta seccin se definen los trminos, no comunes, usados en el documento. Alcance de un instrumento de medicin (Span o Scope): Diferencia algebraica (Resta) entre los valores lmite (superior e inferior) que dicho instrumento es capaz de registrar (campo de medida). Autmata programable: Equivalente de Controlador Lgico programable PLC. Campo de medida (Range): Espectro de la capacidad de medida. CkP (Clock Pulses): Pulsos de reloj. Direccionar (To address): Asignar una forma o nomenclatura de identificacin especfica, o sea una direccin, a un punto de conexin, bit dispositivo. Dicha direccin debe ser nica. No existe, bajo ninguna circunstancia, dos dispositivos, o puntos de conexin, con la misma direccin en un solo sistema. Error: Diferencia entre el valor medido y el valor real de la variable del proceso en cuestin, o planta controlada. Exactitud: Es la cualidad de la medicin realizada, del instrumento, de acercarse al valor real (en el valor medido). Histresis (Hysteresis): Es la diferencia mxima observada en los valores indicados., para el mismo valor cualquiera del espectro. Generalmente debido a la inercia, se observa la diferencia o retraso del efecto de la compensacin. Lenguaje de alto nivel: Formato de representacin de instrucciones y datos parecido al lenguaje humano (Ingls), y que por medio de un compilador integrado, la
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