CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES   

 

Un Controlador Lógico Programable o PLC (Programmable Logic Controller) se define como un dispositivo electrónico, basado en componentes de estado sólido, capaz de ejecutar acciones y tomar decisiones lógicas de acuerdo a un programa preestablecido. Funciona procesando señales de entrada procedentes de pulsadores, sensores, interruptores de proximidad, etc.; cuando se detecta un cambio de estado en dichas señales el PLC reacciona según el programa usuario que este funcionando en ese momento, produciendo señales de salida que atacan cargas externas del sistema (por ejemplo relés, controles de motores, indicadores luminosos, alarmas, electroválvulas, etc.). 

Los PLC's se desarrollaron a partir de la tecnología computacional en el período comprendido entre 1968 y 1970, evolucionando gradualmente para satisfacer los requerimientos de la industria. El procedimiento de programación se planeo, inicialmente, para llevarse a cabo en laboratorios; sin embargo, en desarrollos más recientes no hace falta el conocimiento amplio de la electrónica. El diseñador de cualquier máquina o proceso - que es la persona que mejor conoce sus requerimientos - es capaz de programar el sistema de control de forma rápida y sencilla mediante el dispositivo adecuado. 

Los Controladores Lógicos Programables son una forma rápida, económica y flexible para la automatización de una gran variedad de procesos industriales, reemplazando sistemas de control costosos y poco flexibles - como lo fueron los circuitos por relevadores -, ya que la lógica programada puede ser modificada cuando sea necesario mediante una simple reprogramación, lo que supone una alta adaptabilidad a los cambios en el proceso de manufactura. 

Componentes básicos de un PLC

1  Módulo de entradas: recibe las señales provenientes del exterior a través de elementos tales como interruptores, sensores de posición, etc., y las acondiciona mediante filtros y adaptadores de nivel de potencia - para que puedan ser procesadas por la CPU. 

2   Unidad central de procesamiento (CPU): constituye el cerebro del PLC y aunque trabaja bajo los mismos principios que una computadora, desarrolla una función más específica. La CPU examina, continua y cíclicamente, el estado (encendido/apagado) de las entradas; y a partir de esto, activa o desactiva las salidas o bien lleva a cabo operaciones internas previamente establecidas. 

3   Módulo de salidas: está conformado por elementos que le permiten al CPU manipular dispositivos externos ya sea en corte, habilitación o regulación. En la práctica es muy difundido el uso de relevadores electromecánicos como medio para activación/desactivación de una carga externa controlada por el PLC; los hay de muchos tipos y capacidades, sin embargo, siempre debe de anteponerse una etapa intermedia entre la carga y el PLC, a fin de no dañar los contactos cuando la exigencia de corriente es elevada. Cuando se requiere de velocidad en la salida, se recomienda el uso de componentes de estado sólido (transistores o triac's).Los  PLCs se usan en muchas aplicaciones de la vida cotidiana. Es evidente la eficiencia que una empresa puede lograr al tener en uso PLC's. Los PLC's participan en la mecanización de procesos  como el empaquetando, manejo material, etc.   Casi cualquier aplicación que necesita algún tipo de mando eléctrico tiene necesidad de un plc.   

La Historia del PLC  

En finales de los 1960 se introdujeron por primera vez los PLCs . La razón principal para diseñar un dispositivo como el PLC fue reducir los altos costos altos que involucraban el reemplazar los los sistemas base de retardo en el control de las máquinas. Bedford Associates (Bedford, MA) propuso algo llamado a un Controlador Modular Digital (MODICON) a un fabricante  automotriz en los Estados Unidos. Otras compañías de aquél tiempo proponían esquemas basados en las computadoras, uno de los cuales fue nombrado PDP-8. El MODICON 084 fue el primer PLC comercial del mundo.    

Cuando las necesidades de producción cambiaron, se hicieron necesarios los sistemas de control. Esto llegaría a ser muy caro, sobretodo cuando había cambios frecuentes en los procesos.  Desde que los relevadores (relays) se usan como dispositivos mecánicos, también se ha limitado su tiempo de uso, lo cual implica una gran restricción en el mantenimiento programado de algún proceso. 

Estos nuevos controladores (PLC's) muestran como importantes ventajas la facilidad de programación en el mantenimiento de las plantas de ingeniería. No tienen una vida de uso limitada y los cambios en los procesos son fáciles, sólo se reprograma el PLC.   

En los 70's  la tecnología de los PLC's era ya dominante en la organización de los procesos, las máquinas de estado y los programas de control basados en CPU. Algunos de los modelos que tomaron gran relevancia en esta década fueron los AMD 2901 y AMD 2903 de MODICON. Para la década de los 80 se vio un intento de estandarizar las comunicaciones con el Protocolo de Automatización de Manufactura (MAP, por sus siglas en inglés). Fue en estos años en que surgió la necesidad de reducir considerablemente el tamaño de los PLC's y hacer de  ellos receptores de instrucciones de control programadas desde una computadora.   

Los 90 han visto una reducción gradual en la introducción de nuevos protocolos, y la modernización de las capas físicas de algunos de los protocolos más populares que sobrevivían en  los 1980. La última norma (IEC 1131-3) ha intentado unir los lenguajes de programación bajo una norma internacional.    

Arquitectura interna de un PLC   

El PLC consiste principalmente de un CPU, áreas de memoria, y los circuitos apropiados para recibir los datos del entrada/salida. Podemos realmente considerar que los PLC  son una caja llena de centenares o miles de relevadores separados, contadores, cronómetros y sitios de almacenamiento de datos. ¿Estos contadores, cronómetros, etc. realmente existen? No, en realidad no existen de manera física, sino que son simulados y pueden ser considerados  software contadores, cronómetros, etc. Estos relevadores internos son simulados a través de pequeñas ubicaciones en los registros. (more on that later) 

¿Qué hace cada parte ?  

 

 

 ENTRADA de los Relevadores o Transmisores-(contactos) Estos conectan el PLC al exterior. Existen físicamente y reciben los signos de los interruptores, los sensores,  etc. Típicamente  no son relevadores sino transistores.   

UTILIDAD INTERNA de los Relevadores-(contactos) Éstos no reciben los señales  externas ni existen físicamente. Son relevadores simulados que habilitan al PLC, eliminando así a los relevadores externos.  Hay relevadores especiales que se utilizan para una sola tarea. Algunos se mantienen siempre encendidos, mientras que otros se mantienen apagados. Otros se encienden sólo una vez y son generalmente utilizados  para la inicialización de los datos que se van a almacenar.   

CONTADORES-Tampoco existen físicamente. Son contadores simulados que pueden programarse para contar los pulsos. Típicamente estos contadores pueden contar de forma ascendente, descendente o ambos. Desde que se simulan se encuentran limitados en su velocidad. Algunos fabricantes también incluyen contadores de gran velocidad basados en hardware.      

CRONÓMETROS-Tampoco exiten físicamente. Hay muchas variedades y de diferentes niveles de incremento. El tipo más común es un tipo es el de encendido y retraso (on-delay). Otros son del tipo apagado y retraso (off-delay) y ambos son del tipo de retención o de no retención. Los incrementos varían de 1ms a 1s.    

SALIDA DE LOS RELEVADORES-(rosca) Éstos conectan al exterior. Existen físicamente y envían señales de encendido y apagado a solenoides, luces, etc. Pueden ser transistores, relevadores, o triacs dependiendo del modelo que se elija.  

ALMACENAMIENTO DE DATOS-Típicamente son registros destiNados al almacenamiento de datos. Generalmente se utilizan para almacenamiento temporal en la manipulación de datos o matemáticas. También se pueden usar como respaldo de datos cuando se quita la fuente de poder del  PLC. Manteniendo estos datos igual que cuando el PLC contaba con la fuente de poder. ¡Muy conveniente y necesario!! 

FUNCIONAMIENTO DE UN  PLC  

Un PLC trabaja examinando un programa continuamente. Podríamos decir que este ciclo de análisis consiste de 3 pasos. Ciertamente hay más de 3 pero nos enfocaremos en las partes importantes del funcionamiento del PLC. Los que no se mencionan se usan generalmente en la verificación del sistema y la actualización del contador interno y los valores del cronómetro.  

 

Paso 1- Estado  de Verificación de Entrada: primero el PLC echa una mirada a cada entrada para determinar si está encendida o apagada. En otras palabras, ¿ el censor se conecta a la primera entrada encendida? ¿qué sucede con la segunda entrada? qué pasa con la tercera... se graban estos datos en su memoria para ser usados en el siguiente paso.  

Paso 2- Ejecución del programa: El PLC ejecuta el programa que se le haya introducido con una instrucción en un tiempo. Por ejemplo, si el programa dice que la primera entrada entonces deberá cambiar su primer salida encendido. Desde que se sabe cuáles  entradas estarán en encendido o apagado en el paso 1 se debe decidir si la primera salida debe cambiar a encendido, de acuerdo al estado de la primera entrada . Ésto guardará los  resultados de la ejecución para usarse después, en el siguiente paso.    

Paso 3- Actualización del Estado de la Salida: Finalmente el PLC actualiza los estados de las salidas. Se actualizan las salidas basadas en los estados de las entradas durante el primer paso y los resultados de la ejecución del programa durante el segundo paso. Basado en el ejemplo en paso 2 se cambiaría la salida porque la primera entrada fue encendida y el programa decía que se cambiara la primera salida cuando la condición fuera verdadera.   

Después de que el tercer paso  PLC regresa al paso 1 y repite los pasos continuamente. Un  análisis de tiempo se define como el tiempo que toma para ejecutar los 3 pasos listados anteriormente. 

Modos y dispositivos de programación 

AWL: Lista de instrucciones

FUP:  Esquema de funciones lógicas

KOP:  Diagramas de escalera 

Diferencias básicas entre un PLC y una computadora. 

Un PLC:

Una computadora:

·        No dispone de interfases para recoger las señales de los procesos.

·        Puede ser muy sensible en ambientes rudos de trabajo

·        Se puede utilizar para la programación del PLC a través de una interfase  RS-232

·        Tiene susceptibilidad magnética.

·        No tiene modularidad

·        Capacidad de memoria de programa muy buena

·        Posee librerías normalizadas

·        Tiene una interfaz (pantalla) con el usuario muy amigable

·        Tiene una interfaz con las señales de la planta regular

·        Mala tolerancia a fallos. 

Principales fabricantes y/o distribuidores de PLC’s en México (similitudes y diferencias básicas entre las diferentes marcas).

 

En México podemos encontrar las siguientes marcas ABB, Fuji Electric, GE- Fanuc, Hitachi, Mitsubishi, Siemens, Square D Company, Telemecanique, Toshiba, por mencionar algunos.

 

Similitudes.

-                      Entrada-Salida Analógica y Digitales

-                      Procesamiento por bits, bytes y palabras

-                      Instrucciones Aritméticas

-                      Modularidad

-                      Programación serie vía PC

-                      Poseen Temporizadores y Contadores

-                      Teclado integrado

 

Diferencias.

-                      Velocidad de Trabajo

-                      Microprocesadores

  Ejemplos de Aplicación. 

En forma general podemos hablar de las aplicaciones siguientes: 

Específicamente podemos mencionar algunos ejemplos como los siguientes: 

DIAGRAMAS DE ESCALERA 

Definición.

Los lenguajes de lógica de relevadores en escalera (LLRE) que hemos mencionado, utilizan un marco de programación que obliga al programador a centrarse en cada salida individualmente, en lugar de hacerlo en el flujo y operación del proceso o sistema que se controla. La programación con un LLRE requiere el uso de soluciones de casos especiales, eliminando la posibilidad de una programación limpia, directa y elegante. Adicionalmente, muy a menudo los programas resultantes son difíciles de modificar por no tener una estructura modular. Para mejorar la programación en estos aspectos, se han propuesto metodologías de programación basadas en reglas como la lógica difusa y la lógica de estado. Los componentes de los esquemas con relés son cinco:

Se obtiene una función lógica [AND (Componentes en serie), OR(Componentes o Ramas en paralelo)] por un ensamblaje adecuado de estos componentes que corresponden a la noción de instrucción.

Una línea es una concatenación de componentes de los esquemas con réles que comprenden (por lo menos) un símbolo de asignación y representan un conjunto de instrucciones ejecutables por un API. La línea es pues la unidad de programación de los lenguajes con relés y la de los lenguajes boléanos. 

La técnica de los lenguajes con relés conduce a diagramas en escala legibles, por lo tanto, sencillos de reparar (mantener). La ejecución se efectúa línea por línea en cada ciclo. Una línea se ejecuta de izquierda a derecha. Así el programador puede hacer que sea prioritaria una señal particular con respecto a las otras, en su afán de seguridad.

La lógica estática ha habituado en software a las ecuaciones booleanas y alas representaciones asociadas de los circuitos. Las operaciones básicas deben permitir expresar las tres operaciones booleanas elementales: Y, O, Complemento. 

 

Operador binario

Y

O

Complemento.

 

Símbolo Booleano.

Ÿ

+

a’, ā

Símbolo Lógico

Convención Americana.

 

 

Convención Francesa

 

 

¿Para que se emplea?.

Al inicio, la utilización de un lenguaje de programación con una estructura o representación similar a la de los arreglos de relevadores en escalera (diagramas de escalera), fue una buena elección ya que facilitaba el entrenamiento de los operadores que ya conocían estos diagramas. Así, el primer lenguaje de programación para PLC's, considerado de bajo nivel, fue el "Lenguaje de Escalera". Aún hoy se utiliza este lenguaje, así como el "lenguaje Booleano" que se basa en los mismos principios del álgebra booleana. Este último utiliza nemónicos (AND, OR, NOT, NAND, etc.) enteramente equivalentes al Lenguaje de Escalera.

Cuando se comprendió el gran potencial de los PLC's , como poderosas computadoras que son y se dio la evolución de capacidades que ahora tienen, que no poseían los antiguos circuitos, aparecieron los lenguajes de alto nivel como el "lenguaje de escalera" pero, con la adición de funciones especiales complejas, que en el diagrama de escalera aparecen en el lugar de las salidas". Luego, se desarrollaron los Lenguajes Especiales de Computadora, también de alto nivel, que son muy similares a los lenguajes de programación de computadoras como el Basic y el C, para hacer cada vez más amigable la programación.

Tipo de Información contenida en él.

            La información que provee este sistema es mostrar el proceso en que se realizan paso a paso las operaciones, también muestra las variables que determinan dicho resultado y que intervienen en el desarrollo y como lo afectan.

Por ejemplo, en el caso de un motor eléctrico, el voltaje aplicado a la armadura es la cantidad o señal de entrada y la velocidad, la cantidad o señal de salida. Si al caso anterior se le añade la toma de decisiones a través de un supervisor con el fin de apreciar el valor real de salida respecto a la entrada de referencia o un estándar establecido. Si la salida no tiene el valor deseado puede él alterar la posición del selector de referencia para conseguir el valor propuesto.

 

 

 

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