teoria plc
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Controladores Controladores Lógicos Lógicos
ProgramablesProgramables
Texto de Alejandro Quispe YatacoMayo del 2001
DefiniciónDefiniciónSe entiende por Controlador Lógico Programable (PLC), o Autómata Programable, a toda máquina electrónica basada en uP, diseñada para controlar máquinas y procesos en tiempo real y en medio industrial.
La función del PLC dentro de un sistema de control, es la de formar la unidad de control incluyendo total o parcialmente las interfaces con las señales del proceso.
Por otro lado se trata de un sistema con Hardware estándar, con capacidad de conexión directa a las señales de campo y programable por el usuario.
EEl PLC como alternativa l PLC como alternativa de Automatizaciónde Automatización
Hoy en día surge la necesidad de mejorar la calidad de los productos de la Industria Nacional para competir con productos foráneos que normalmente son de calidad media o superior y de costo reducido; debido a que utilizan equipos de control programables como el PLC.
El PLC se ha convertido en una de las alternativas más eficientes de la automatización de la industria moderna
Ventajas Ventajas de los PLC'sde los PLC's •Confiabilidad: No presenta fallas contructivas por el riguroso control de calidad, siendo altamente confiable. •Menor tamaño: El espacio ocupado por un PLC en un tablero de control es menor que dispositivos discretos convencionales (relés, contadores, etc.).•Versatil y económico : Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros componentes, ya que los cambios son en el programa. El Mantenimiento es económico por lo tanto es menor el costo de mano de obra.
•Ahorro de energía: Los PLC’s son de bajo consumo debido a la tecnología electrónica empleada.•Facilidad de instalación: Los PLC’s en su mayoría utilizan rieles estándar para su fijación en los tableros o gabinetes de control, luego se procede a la instalación de sensores y actuadores en las borneras respectivas.
•Rapidez en el diagnóstico de fallas: Los PLC’s poseen LED’s indicadores de estado tanto del procesador, como de los módulos E/S para saber si existe un fallo o no. También se utiliza el software de programación para verificar el programa y detectar errores en Hardware y Software.
•Compatibilidad con elementos sensores y actuadores: Gracias a la tecnologia de arquitectura abierta se pueden conectar a los a los PLC’s dispositivos sensores y actuadores de diferentes marca, tipo o procedencia.
Ventajas Ventajas de los PLC'sde los PLC's
•Factibilidad de intervenir en redes de supervisión: El desarrollo de la tecnologías de comunicación han hecho posible que los PLC’s puedan integrarse a redes industriales para comunicarse entre ellos y con otros equipos inteligentes para propósitos de supervisión y control de los procesos industriales.
CCampos de Aplicaciónampos de Aplicación•Máquinas de montaje
•Distribución de energía.
•Máquinas - herramientas
•Líneas de embotellado
•Fundiciones y refinerias industriales•Equipos de transporte.
•Estaciones de bombeo
•Industria cementera
•Industria cervecera
•Industria alimentaria
•En general: Control de procesos industriales y la automatización de plantas
•Intalaciones de tratamien-to de agua.
Marcas De Plc’s Más Marcas De Plc’s Más Difundidas En Nuestro Difundidas En Nuestro
MedioMedio
•Allen Bradley (USA)
•Siemens (Alemania)
•Telemecanique (Francia)
•Omron (Japón)
•Modicon (Suecia)
•General Electric (USA)
•Mitsubishi (Japón)
•Toshiba (Japón
Controladores Programables Compactos
La siguiente tabla muestra algunas características de algunos modelos de PLCs
Controladores Programables Modulares
La siguiente tabla muestra algunas características de algunos modelos de PLCs
Sensores / Sensores / TransductoresTransductores
Llamados también detectores o captadores, son los que se encargan de medir o detectar una variable o parámetro físico o químico desde la máquina o un proceso controlado.
ProcesoProceso
TemperaturaPresiónCaudalNivelpHCp
RadiaciónPeso
...
SensorSensorTransductorTransductor
SeSeñal ñal EléctricEléctricaa
Aparato que ejecuta las acciones de control, recibe información de los sensores, compara el valor real de la variable medida con el valor deseado (set point), y en base a las posibles diferencias entre ellas se genera una señal correctiva que emite hacia los actuadores para corregir el error.
ControladorControladorControladorControlador PlantaPlantaPlantaPlanta
TransductorTransductorTransductorTransductor
Set Poin
t
Señal de error
r
b
e
Variable Controlad
ac
Señal corrector
a
Señal de medición
Energía
El ControladorEl Controlador
• MideMide la variable la variable controlada a través de los controlada a través de los sensoressensores..• ComparaCompara la variable la variable medida con con variable de medida con con variable de referencia (referencia (Set PointSet Point) )
• Corrige Corrige el el errorerror enviando enviando una una señal correctoraseñal correctora hacia hacia los los actuadoresactuadores y modificar y modificar variable controlada.variable controlada.
Funciones Del Funciones Del ControladorControlador
ActuadoresActuadores
Son los dispositivos que funcionan como interfases, ubicados en entre el controlador y los organos de trabajo (Potencia). Mediante el uso de los actuadores, los controladores pueden manejar cargas que requieran elevada potencia para funcionar.
Los actuadores pueden ser: Discretos y Analógicos.
Discretos.- Por ejemplo: contactor, electroválvulas, etc..
Analógicos.- Por ejemplo: válvula de control automáticos.
Son los dispositivos que ejecutan el trabajo físico o mecánico en las máquinas de producción, por ejemplo:
Motores, que pueden ser: eléctricos, neumáticos o hidráulicos
Cilindros o pistones, que pueden ser neumáticos e hidráulicos
Elementos U Órganos Elementos U Órganos De TrabajoDe Trabajo
El PLC En Los Tableros El PLC En Los Tableros De ControlDe Control
Sistema de control convencional
SensoresSensoresSensoresSensores Lógica Lógica de Relésde RelésLógica Lógica
de Relésde Relés
Máquina o Proceso ControladoMáquina o Proceso ControladoMáquina o Proceso ControladoMáquina o Proceso Controlado
ActuadoresActuadoresActuadoresActuadores
El PLC En Los Tableros El PLC En Los Tableros De ControlDe Control
Sistema de control con PLC
SensoresSensoresSensoresSensores PLCPLCPLCPLC
Máquina o Proceso ControladoMáquina o Proceso ControladoMáquina o Proceso ControladoMáquina o Proceso Controlado
ActuadoresActuadoresActuadoresActuadores
Hardware De Los Hardware De Los Controladores Controladores ProgramablesProgramables
Estructura en bloques del PLC
InterfaceInterfaceDe De
EntradaEntrada
InterfaceInterfaceDe De
EntradaEntrada
Fuente de AlimentaciónFuente de AlimentaciónFuente de AlimentaciónFuente de Alimentación
ProcesadorProcesadorCPUCPU
ProcesadorProcesadorCPUCPU
InterfaceInterfaceDeDe
SalidaSalida
InterfaceInterfaceDeDe
SalidaSalida
Sen
sor
es
Actu
ad
or
es
El ProcesadorEl Procesador
Llamado también CPU, es el cerebro del sistema, es el responsable de la ejecución del programa desarrollado por el usuario. La CPU realiza el procesamiento de las informaciones de entrada, la toma de decisiones y la transferencia de la información.
En el procesador se distinguen, a su vez, tres grandes componentes:
• La Memoria
• El Microprocesador
• La interface de comunicaciones
El Procesador y sus partesEl Procesador y sus partes
Interface De EntradaInterface De Entrada
Transforma las señales de entrada proporcionadas por los sensores, que pueden ser de niveles de tensiones diversos y tipo de corriente diferentes, a niveles compatibles con el procesador
Interface De SalidaInterface De Salida
Permite que las señales del procesador puedan tener la capacidad de activar o energizar a los actuadores mediante un contacto que existe en cada canal de salida y desde una fuente de tensión externa.
Fuente de AlimentaciónFuente de Alimentación
Se encarga de convertir la energía eléctrica disponible (tensión alterna en la mayoría de los casos) a los niveles de tensión contínua necesarios para la operación de los circuitos del procesador y de las interfaces de salida y entrada.
Tipos de Controladores Tipos de Controladores ProgramablesProgramables
Los controladores programables (PLC’s), al margen de la marca o procedencia, pueden clasificarse de varias formas, por ejemplo:
Por su Hardware:
Controladores |Compactos.
Controladores Modulares.
Por su Tamaño:
Micro Controladores.
Mini controladores.
Controladores Main Frame.
Controladores Controladores ProgramablesProgramables
CompactosCompactos
Este tipo de PLC reúne todos los componentes en una sola unidad, ellos tienen un número fijo de canales E/S, generalmente de tipo discreto. Sin embargo muchos de ellos soportan un número determinado de módulos de expansión, sobre todo los mini PLC’s.
Características del PLC de Hardware fijo o compacto:
Algunos fabricantes han diseñado un tipo de PLC al que se le pueden adicionar tantos módulos de expansión como un tipo modular, es decir entre 30 y 32 módulos de expansión, como una especie de PLC híbrido, llamado también PLC Compacto – Modular.
Ventajas del PLC Compacto con Ventajas del PLC Compacto con respecto al PLC Modularrespecto al PLC Modular
Son más económicos.
Por su construcción compacta son de reducido tamaño.
Algunas marcas incluyen E/S analógicas.
Son de fácil selección.
Son de fácil instalación.
Su programación es sencilla.
Controladores Controladores ProgramablesProgramables
ModularesModulares
Denominados así a los PLC’s que tienen sus componentes separados, por bloques (módulos), por ello hay que realizar la selección adecuada de estos módulos para lograr la configuración de acuerdo a los requerimientos.
Características del PLC de Hardware Modular
Ventajas del PLC ModularVentajas del PLC Modular
Su configuración puede variar de acuerdo a las reales necesidades del usuario.
En caso de ampliaciones y requirimientos de conectar mayor número de sensores y/o actuadores, es posible adicionar sólo más módulos de E/S, sin necesidad de cambiar el procesador.
En caso de fallas en los módulos de E/S, es posible aislar el problema y reemplazar sólo el módulo defectuoso.
Componentes del PLC Componentes del PLC ModularModular
El rack o chasis.
Es una especia de gabinete que tiene la función de soportar los diferentes módulos que conforman el PLC. Incluye un bus común de comunicación y conectores por cada slot o ranura (espacio que ocupa un módulo), por donde recibe la tensión de alimentación y comunicación con el Procesador.
La Fuente de Alimentación..
La fuente de un PLC modular ocupa generalmente el primer lugar (slot o ranura) de la izquierda del rack o chasis del PLC.
Las fuentes se encuentran protegidas contra sobrecargas mediante fusibles, los cuales son de fácil reemplazo en caso necesario.
La Fuente de Alimentación..
La alimentación de las fuentes, por lo general, se diseñan para los siguientes niveles: 24VDC, 110VAC y 220VAC
Las tensiones de salida producida por la fuente con la finalidad de alimentar los módulos que conforman el PLC, varían de acuerdo al fabricante. Algunas marcas muy conocidas tienen fuentes que producen: 5VDC y 24VDC
Dentro de una familia de PLCs modulares de una determinada marca, se fabrican varias fuentes, las cuales varían, especialmente en la tensión de alimentación y en la potencia que suministra. Por ejemplo, la tabla siguiente muestra las especificaciones de las fuentes de alimentación para la familia SLC-500 de la marca Allen-Bradley.
Tabla N° 1. Especificaciones de las Fuente de Alimentación para la familia SLC-500 de Allen-Bradley
Selección de la Fuente de Alimentación.
La selección de una fuente está en función de la cantidad y tipo de módulos que va a alimentar, por ejemplo, si se tratara del caso del PLC que se muestra en la siguiente figura, vamos a seleccionar una fuente para el rack 1 y otra fuente para el rack 2 se dejará como un ejercicio.
Sistema de control con 2 PLC’s
La siguiente tabla muestra las especififcaciones para el rack 1:
La tabla de especififcaciones del segundo rack :
Para la selección de las fuentes se deben utilizar unas hojas de trabajo y se consideran los datos de corrientes máximas, tal como se muestra a continuación que está realizada en base a la familia SLC500 de Allen-Bradley
La siguiente es la Hoja de Trabajo para seleccionar la fuente de alimentación para el rack 1 y el rack 2
Selección de la Fuente de Alimentación.
El Procesador o CPU La CPU al igual que las computadoras, se pueden clasificar en función de la velocidad de procesamiento de información, a la capacidad de su memoria y las funciones que pueden realizar.
El tiempo que tarda para la lectura de un programa depende del número y del tipo de instrucciones. Por lo general es del orden de los milisegundos. Esto quiere decir que cualquier modificación de estado de una entrada produce casi instantáneamente una señal de salida.
Los fabricantes, dentro de sus especificaciones técnicas dan a conocer, la velocidad de procesamiento en unidades de ms/Kbyte (milisegundos por kiloByte.
Algunos ejemplos de procesadores
La tabla siguiente muestra las características más importantes de los CPU procesadores SLC500 de Allen-Bradley
Módulos de Entrada/Salida
Los módulos de E/S se pueden clasificar de la siguiente manera:
De acuerdo al tipo de señal que procesan:
Módulo de E/S discretas
Módulo de E/S analógicas
Módulos combinados o de combinación
De acuerdo a la densidad de canales por módulo:
De 4, 8, 16, 32 y otros valores de canales E/S
Módulos de Entrada/Salida Discretas
Los módulos de E/S discretas están diseñados para cumplir la función de interface entre la CPU y los dispositivos de campo del sistema de control. A través de estos módulos es posible intercambiar información ya sea para la adquisición de datos, si es de entrada, o para el mando de una máquina o proceso controlado, si es de salida.
Módulos de Entrada DiscretaFuncionan como interfaces entre los sensores y el procesador del PLC. El tipo de sensor debe ser del tipo de salida digital o discreta, es decir que la señal de salida solo puede tener dos estados lógicos: activado o desactivado (dígitos 0 o 1). Por ejemplo: pulsadores, selectores, fines de carrera, termostatos, sensores de proximidad, etc.
Los niveles de tensión de operación de los módulos E/S pueden ser: TTL, 24VDC, 110VAC y 220VAC.
Los módulos de entradas discretas están diseñados para cumplir las siguientes funciones principales:
Adquisición de datos, que le entregan los sensores.
Acondicionamiento de las variadas señales que le entrega el sensor a niveles adecuados para el procesador.
Señalización del estado de las entradas mediante LEDs indicadores de estado ubicados generalmente en la parte superior del frontal del módulo.
Aislamiento galvánico entre los circuitos de sensores y el del microprocesador mediante el uso de elementos optoacopladores.
Módulos de Salida DiscretaFuncionan como interface entre la CPU del controlador programable y los dispositivos externos de accionamiento o actuadores, los cuales deben ser discretos, es decir que deben tener solo dos estados lógicos posibles. Por ejemplo contactores, electroválvulas, lámparas, etc.
Los módulos de salidas discretas están diseñados para cumplir las siguientes funciones principales:
Transmisión de la señal de activación o desactivación hacia los actuadores.
Acondicionamiento de la señal que proviene de la CPU, para lograr el cierre o apertura de un contacto ubicado en cada canal de salida. El cierre del contacto permite aplicar la tensión desde una fuente externa al actuador.
Los módulos de salida discreta se fabrican para operar con las tensiones nominales: TTL, 24VDC, 110VAC o 220VAC.
Igualmente, de acuerdo al tipo de contacto que tienen en cada canal, el módulo puede ser:
De salida por contacto de relé.
De salida por triac.
De salida por transistor.
Módulos Discretos Combinados
Son aquellos módulos que tienen simultáneamente un número de canales de entrada y de salida. Sus características son las mismas que los individuales
Módulos de Entrada/Salida AnalógicasEstos módulos están diseñados para procesar señales analógicas tanto de entrada, provenientes de sensores analógicos, como de salida, dirigidos hacia actuadores analógicos.
Los módulos analógicos o análogos permiten el procesamiento de señales de variables o parámetros físicos o químicos, tales como: temperatura, presión, nivel, caudal, pH, etc.
Las señales que reciben o envían pueden ser de corriente o tensión. Sin embargo estas señales tienen un rango estandarizado y son las que se emplean en el campo de la instrumentación y el control de procesos industriales. Los rangos más utilizados son:
Señal de corriente: 0-20mA, 4-20mA, -10 a +10mA.
Señal de tensión: 0-5V, 1-5V, 0-10V.
Módulo de Entrada Analógica
Son los módulos que permiten recibir señales de corriente o tensión de rango estandarizado que provienen de sensores análogos, procesados previamente por los transmisores.
Como el PLC es un equipo digital, estas señales analógicas deben ser digitalizadas para que puedan ser compatibles con el procesador
Los módulos de entradas analógicas están constituidos por un conversor análogo-digital (ADC) y un multiplexador.
Módulode Salida Analógica
Estos módulos se utilizan para enviar la señal correctiva al actuador en los sistemas de control de procesos. Como la señal que envía el procesador es digital, debe ser convertida a una señal analógica mediante un conversor digital-análogo (DAC). Esta señal, que puede ser de corriente o tensión, podrá accionar directa o indirectamente, por ejemplo, una válvula de control para manipular el flujo o caudal de un fluido.
Módulos Analógicos Combinados
Son módulos que incluyen canales de entrada y de salida analógicas y donde las características que tienen son las mismas que en los casos de módulos de E/S análogos específicos.
Módulos de E/S Especiales
Los fabricantes también han desarrollado unos módulos adicionales para sus sistemas de PLCs.
Entre los más comunes tenemos:
Módulos para termocuplas.
Módulos para RTDs.
Módulos de contaje rápido.
Módulos de regulación PID.
Módulos de comunicaciones.
Módulos para Termocuplas Son módulos con capacidad de recibir señales directamente de termocuplas, sin necesidad de que la señal sea procesada por un transmisor; es decir que los canales de entrada de estos módulos están diseñados para recibir señales de milivotios en forma directa. Como la relación de la señal de mV/ºC de una termocupla, varía de acuerdo a su tipo, estos módulos son configurables para todos los tipos, por ejemplo para termocuplas tipo: J, K, R, S, T, etc.
Módulos para RTDs
Al igual que el módulo anterior, este módulo está diseñado para recibir señales directamente de Termorresistencias (RTDs) y ya no es necesario que sea convertida a una señal de corriente o tensión como en otros casos. Igualmente son configurables para todos los tipos de RTDs, tales como Pt50, Pt100, etc.
Módulos de Contaje Rápido Son módulos que contienen un número determinado de entradas con contadores de alta velocidad o alta frecuencia de hasta 2MHz o más.
Módulos de Regulación PID
Estos módulos están diseñados para ejecutar tareas de control automático de procesos, aplicables a lazos de control de temperatura, presión, caudal, nivel, velocidad, pH, etc. Estos módulos son autónomos en su alimentación, cuentan también con memoria de programa propia y microprocesador. Su funcionamiento se basa en un algoritmo de control PID.