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Liceo Industrial de San Miguel Agustn Edwards Ross Especialidad de Electricidad

Mdulo: Operacin y programacin de sistemas de control con controladores lgicos programables (PLC)

Unidad 2: Hardware del PLC Identificar la composicin global del PLC, como tambin analizar la estructura de las entradas y salidas que lo componen.

2.1. Introduccin

Las empresas de hoy, que piensan en el futuro, se encuentran provistas de modernos dispositivos electrnicos en sus maquinas y procesos de control. Hoy, las fbricas automatizadas deben proporcionar en sus sistemas, alta confiabilidad, gran eficiencia y flexibilidad. Una de las bases principales de tales fbricas es un dispositivo electrnico llamado Controlador Lgico Programable. Este dispositivo fue inicialmente introducido en 1968 en respuesta a una peticin de la Divisin Hidramtica de General Motors. En ese entonces, GM frecuentemente usaba das o semanas reemplazando sistemas inflexibles de control basados en rels, siempre que cambiaba modelos de automviles o haca modificaciones de lnea. A fin de reducir el alto costo del re cableado, la especificacin de control de GM peda un sistema de estado slido que tuviera la flexibilidad de una computadora, pero que los ingenieros de planta y los tcnicos pudieran programar y dar mantenimiento. Adems tena que ser resistente a la contaminacin del aire, la vibracin, el ruido elctrico, la humedad y temperaturas extremas, los cuales se encuentran en el ambiente industrial. An los primeros PLCs que funcionaban como reemplazo de rels, eran ms confiables que los sistemas basados en rels, debido principalmente a la robustez de sus componentes de estado slido comparadas con las partes mviles en los rels electromecnicos. Los PLCs proporcionaron ahorro en los costos de material, instalacin, localizacin y correccin de problemas y mano de obra al reducir el cableado y sus correspondientes errores. Adems, ocupaban menos lugar que los contadores, temporizadores y otros componentes de control que estos reemplazaban. Su capacidad para ser reprogramados aument notablemente su flexibilidad cuando se cambiaban los diagramas de control. Tal vez la clave principal para la aceptacin de los PLC en la industria fue que el lenguaje de programacin inicial estaba basado en los diagramas de escalera y smbolos elctricos comnmente usados por los electricistas. Casi todo el personal de planta ya estaba capacitado en lgica de escalera y fcilmente la adoptaron para los PLC. De hecho, la lgica de escalera todava juega un papel muy importante en la programacin, localizacin y correccin de problemas, a pesar que se han desarrollado lenguajes de programacin ms avanzados.

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2.2. Definicin de PLC

Que es un PLC? : Un Controlador Lgico Programable (Programable Logic Controler PLC), es un dispositivo digital utilizado para el control de maquinas y operacin de procesos. Es un aparato digital electrnico con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones permitiendo la implementacin de funciones especificas como: lgica, secuencias, temporizado, conteo y aritmtica; con el objeto de controlar maquinas y procesos.

2.3 Ventajas de un PLC sobre lgica de Rel Menor tiempo empleado en la elaboracin de proyectos ya que:

a) No es necesario dibujar el esquema de contactos. b) No es necesario simplificar las ecuaciones lgicas, ya que, por lo general, la

capacidad de almacenamiento del modulo de memoria es bastante grande. c) La lista de materiales queda sensiblemente reducida y al elaborar el

presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega, etc.

d) Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado y aadir aparatos.

e) Mnimo de espacio ocupacin. f) Menor costo de mano de obra de la instalacin. g) Economa de mantenimiento. Adems de aumentar la fiabilidad del sistema,

al eliminar contactos mviles, los mismos autmatas pueden detectar fallas. h) Posibilidad de gobernar varias maquinas con un mismo autmata. i) Menor tiempo para la puesta de funcionamiento del proceso al quedar

reducido el tiempo de cableado.

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2.4 Inconvenientes de un PLC

a) En primer lugar es necesario de un programador, lo que obliga a adiestrar a unos tcnicos de tal sentido.

b) El costo inicial que puede ser o no ser inconveniente, segn las caractersticas del automatismo en cuestin. Dado que el PLC cubre ventajosamente en amplio espacio entre la lgica cableada y el microprocesador, es preciso que el proyectista lo conozca tanto en su actitud como en sus limitaciones. Por tanto, aunque el costo inicial debe ser tenido en cuenta a la hora de decidirnos por uno u otro sistema, conviene analizar todos los dems factores para asegurarnos una decisin adecuada.

a) Diagrama de control y comando circuito inversor

b) Diagrama de Fuerza circuito inversor Ventajas de un PLC sobre lgica de rel

4 2.5 TIPOS DE PLCs:

Clasificacin de los PLC's: Nivel 2: Control de variables discretas y analgicas. Matemticas de punto flotante. E/S inteligentes Conexin en red. Gran capacidad de manejo de datos analgicos y discretos. Por Cantidad de E/S: Micra PLC (hasta 64 E/S). PLC pequeo (65 a 255 E/S). PLC mediano (256 a 1023 E/S). PLC grande (ms de 1024 E/S). Clasificacin por Construccin: La clasificacin por su construccin distingue a los PLC's que integran todas sus partes (E/S, CPU, Fuentes; Puertos de Comunicacin, etc.) en una misma caja o gabinete, de los que estn formados por mdulos.

2.5.1 PLC Compactos: Es aquel que integra todas sus partes en una misma caja o gabinete. Se suele utilizar tambin la denominacin de Compacto, pero la aparicin de PLC's modulares de pequeo tamao hace que sta resulte inadecuada. . El PLC integral suele tener muy pocas E/S, clasificndose en general como micro PLC.

Figura 2.5.1.- Modelos de PLC compactos.

2.5.2 PLC modular: Como su nombre lo indica, est formado por mdulos. El equipo se arma sobre un bastidor o base de montaje (tambin llamada chasis o rack) en el cual se instalan la CPU, los mdulos de entrada, los mdulos de salida y otros perifricos. El chasis contiene en su parte posterior los buses de datos, direcciones y alimentacin del PLC, con conectores apropiados a los que se conecten los distintos mdulos.

5 Por la forma que tienen estos mdulos, es usual que se les denomine "tarjeta". As es muy frecuente encontrar la frase "tarjetas de entrada / salida en referencia a los mdulos 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 mdulos necesarios.

Figura 2.5.2.- Modelos de PLC Modulares. Clasificacin por Capacidad: La clasificacin por capacidad distingue dos niveles, en funcin 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. 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 estarn en un PLC de nivel 1 son: raz cuadrada, logaritmo, antilogaritmo, aritmtica de doble precisin y de punto flotante, funciones trigonomtricas, diferenciacin e integracin, lazos PID, etc.

Clasificacin por Cantidad de E/S

6 La clasificacin por cantidad de E/S es arbitraria. A pesar de ello, este parmetro es el indicador que habitualmente define el PLC. Los fabricantes ofrecen caractersticas tales como capacidad de memoria, operaciones aritmticas, etc., en directa relacin a la cantidad de entradas y salidas que el controlador puede manejar. 2.6 ESTRUCTURA DE UN PLC: 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, ste 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 adicin de los microprocesadores ha aumentado las posibilidades de simples funciones ON/OFF hasta hacer posible generacin de reportes, control analgico, etc. . El tercer elemento es el equipo de programacin. 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.

Figura 2.6 Estructura de un PLC

2.6.1 Mdulo de Alimentacin: Fuente de alimentacin

Es la unidad encargada de suministrar los voltajes requeridos por la CPU, tarjetas

especiales, procesadores perifricos y los mdulos de E/S local.

7 Existen 2 tipos de fuentes: internas y externas.

Figura 2.6.1.- Mdulo de Alimentacin.

2.6.2 Mdulos de Entrada: Interfases o adaptadores de Entrada: Se encargan de adaptar seales provenientes del campo o niveles que la CPU pueda interpretar como informacin. Las seales del campo pueden implicar niveles y tipos de seal elctrica diferentes ~ los que maneja la CPU.

A las entradas se conectan sensores que pueden ser: . Pulsadores. . Llaves. . Termostatos. . Presostatos. . Lmites de carrera. . Sensores de Proximidad. . Otros elementos que generan seales binarias (ON-OFF).

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2.6.3 Mdulos de Salida: Interfases o adaptadores de Salida: Comandan dispositivos de campo en funcin de la informacin enviada por la CPU. Las salidas comandan distintos equipos, por ejemplo . Lmparas. . Sirenas y Bocinas. . Contactores de mando de Motores. . Vlvulas Solenoide. . Otros elementos comandados por seales binarias.

9 Ejemplo de Encendido y Apagado de una lmpara a travs del PLC

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

2.6.4 La CPU: Es el cerebro del PLC, responsable de la ejecucin del programa desarrollado por el usuario. Es la unidad principal de coordinacin de todas las funciones o recursos de los distintos Procesadores Perifrico, Procesador de entrada /salida, Procesador de Comunicaciones, Unidad de Memoria y Fuente de alimentacin. La CPU se comunica con las interfases de l/O por medio de un bus paralelo, que incluye un bus de datos y un bus de direcciones. Adicionalmente, un bus de alimentacin provee alimentacin elctrica a las interfases de l/O.

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2.6.5 Terminal de Programacin: El procesador del PLC, va a actualizar las salidas de acuerdo al programa almacenado en su memoria, pero para poder almacenar en sta memoria el programa que controla el proceso, necesitamos descargar ste programa mediante una terminal de programacin, sabemos que la mayora de los procesadores tienen puertos o canales de comunicacin para poder conectar estos dispositivos, pero una vez ms, de acuerdo al fabricante del PLC, utilizaremos distintos medios para lograr esta comunicacin. Existen terminales de programacin de diversos tipos pero el medio ms utilizado para comunicarnos con un PLC es el uso de una computadora porttil, la cual, obviamente, tiene instalado el software de programacin del controlador y/o de comunicacin con el mismo. Pero no solo para programar al PLC nos sirven estos dispositivos, ya que, una vez que estamos "EN LINEA" con el procesador, podemos: . Monitorear datos con los cuales podemos obtener estadsticas del proceso. . Modificar o editar el programa almacenado en la memoria (que generalmente lo visualizamos como un diagrama de escalera o una lista de instrucciones) . Forzar los estados de las entradas y/o salidas. El visualizar la lgica del programa, nos puede ser de gran ayuda para resolver problemas o fallas en el proceso o en el mismo sistema de controlo programa almacenado En las siguientes ilustraciones podemos observar estas terminales y perifricos para

la programacin de los PLC.

11 2.6.6 Perifricos: Interfases o Terminales del Operador: Estos dispositivos transmiten informacin detallada del proceso y pueden ayudar a reducir el nmero de errores en el desempeo del mismo. A su vez le permite a los operadores del sistema tomar decisiones y realizar correcciones. Tambin se utilizan para ingresarle datos al procesador u obtener datos del mismo, para as mediante dibujos y grficos mostrar cada vez ms informacin sobre las variables utilizadas en el sistema de control. Cada uno de estos paneles de visualizacin, necesitan de su propio software para realizar los cada vez ms complejos grficos que nos muestran, o del software para poder entablar una comunicacin con el procesador y mostrar los datos procesados en tiempo real. Las siguientes ilustraciones muestran algunos de estos dispositivos, aunque hay una gran variedad, la diferencia principal que hay entre estos es el grado de complejidad grfica que nos pueden mostrar o el tipo de tecnologa usada para fabricarlos. Por ejemplo: pantalla tctil, conectividad con otros fabricantes, luz posterior, monocromo o color, etc.

12 2.7 FUNCIONES DEL PLC: Ejemplos de Aplicaciones de un PLC:

A) MANIOBRAS DE MAQUINAS. . Maquinaria industrial del mueble y la madera. . Maquinaria en proceso de grava, arena y cemento . Maquinaria en la industria del plstico. . Maquinas-herramientas complejas. . Maquinaria de ensamblaje. . Maquinas de transferencia. B) MANIOBRA DE INSTALACIONES. . Instalaciones de aire acondicionado y calefaccin . Instalaciones de seguridad. . Instalaciones de almacenamiento y transporte. . Instalaciones de plantas embotelladoras. . Instalaciones en la industria automotriz . Instalacin de tratamientos trmicos. . Instalaciones de la industria azucarera. 2.8 FACTORES A CONSIDERAR EN LA ELECCIN DE UN PLC: Tipos de Entradas v Salidas Discretas: Tambin llamadas digitales, lgicas, binarias u "on-off", pueden tomar solo dos estados. La denominacin de digital es ms comn que las discretas, an cuando es incorrecta, ya que todas las funciones de un PLC, incluidas las E/S, son digitales. Analgicas: Pueden tomar una cantidad de valores intermedios dentro de un cierto lmite, dependiendo de su resolucin. Por ejemplo: O a 10 Vcc, 4 a 20 mAcc, etc. Especiales: Son variantes de las analgicas, como las entradas de pulso de alta frecuencia, termocuplas, RTDs, etc. Inteligentes: Son mdulos con procesador propio y un alto grado de flexibilidad para su programacin. Durante su operacin intercambian datos con la CPU. Entradas Discretas: Existe una variada gama de alternativas para estos mdulos, con lo que se puede optar por mdulos con distintas cantidades de entradas y para distintos niveles de voltaje; las ms comunes son: 24 Vcc, 24 Vca, TTL (5 Vcc), 110 Vca, 220 Vca, etc. La estructura tpica de una entrada discreta puede separarse en varios bloques por donde pasar la seal. Hasta convertirse en un O o un 1 lgicos para la CPU. Estos bloques son:

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Rectificador: En el caso de una entrada de corriente alterna, convierte la seal en continua. En el caso de una seal de corriente continua, limita o impide daos por inversin de polaridad. Acondicionador de seal: Elimina ruidos elctricos, detecta los niveles de seal para los que conmuta e estado lgico (umbral en on-off), y lleva la tensin al nivel manejado por la CPU.

Indicador de estado: En general se dispone de un indicador luminoso por canal, que est encendida mientras exista tensin en la entrada, y apagado en caso contrario. Un indicador adicional seala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo encendido si la tarjeta y su comunicacin con la CPU no presentan fallas.

14 Aislamiento: Las entradas de la mayor parte de los PLC's son opto aisladas para que, en caso de sobre tensiones externas, el dao causado no afecte ms que a ese punto, sin perjudicar el resto de la tarjeta ni programarse al resto de PLC. Circuito lgico de entrada: Es el encargado de informar a la CPU el estado de la entrada cuando sta la interrogue. Salidas Discretas: Al igual que en el caso de las entradas discretas, la estructura tpica de una salida discreta puede separarse en varios bloques por donde pasar la seal, hasta convertirse en un O o un 1 lgico para la CPU. Estos bloques son: . Circuito lgico de salida: Es el receptor de la informacin enviada por la CPU. . Aislamiento: Cumple una funcin anloga a la aislacin de una tarjeta de entradas discretas,

Indicador de estado: generalmente se utiliza un indicador de estado por canal, que

se enciende cuando la salida est cerrada, y se apaga cuando est abierta. Un

indicador adicional seala el correcto funcionamiento de la tarjeta, permaneciendo

encendido si la tarjeta y su comunicacin con la CPU no presentan fallas. Circuito de conexin: 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 conexin: transistor, triac y rel. Proteccin: Puede consistir en un fusible en serie con los contactos de salida, una proteccin electrnica por sobrecarga, o circuitos RC (resistivos-capacitivos), para eliminar picos generados por la naturaleza de la carga, en el caso de que sta sea inductiva y la alimentacin sea en corriente continua. Entradas Analgicas. La principal tarea de una tarjeta de entrada analgica es precisamente la de convertir un valor analgico en un nmero de formato binario, por medio de un conversor A/D. Una entrada analgica con un conversar de 8 bits podr dividir un rango de 4 a 20 mA. En 256 valores. En cambio, con un conversor de 12 bits, tendr que dividir el rango en 4096 valores. A lo anterior se le denomina Resolucin. Se define justamente como Resolucin al mnimo cambio que un conversor puede discriminar en su entrada. En la estructura de una entrada analgica podemos distinguir las siguientes partes bsicas: Proteccin: Impide daos al mdulo y al resto del PLC por conexin con polaridad invertida o fuera del rango permitido. Filtro Analgico: Elimina posibles ruidos que ingresen por la instalacin. Bsicamente consiste en un filtro pasabajos, que permite que las seales de baja frecuencia lleguen al conversor A/D, evitando el paso de las seales de alta frecuencia. Multiplexado: Esta etapa consiste en un selector que enva un canal de entrada por

vez al conversor A/D.

15 Conversor A/D: Es el encargado de transformar la seal analgica en un nmero binario interpretable por la CPU. Aislacin: En algunos equipos se dispone de opto-aisladores luego de conversor A/D, para separar la CPU del campo. Buffer: Memoria donde se almacenan los valores que provienen del conversor, mientras ste opera sobre los dems canales. Aqu es donde la CPU lee los valores numricos convertidos. Las seales de entrada pueden ser por tensin o por corriente; en este ltimo se utiliza una resistencia calibrada donde se mide la cada de tensin. Los valores comunes de seal son 4 a 20 mA., 1 a 5 Vcc, -5 a +5 Vcc O a 10 Vcc. El concepto bsico de funcionamiento es inverso al de una entrada analgica. Aqu la CPU emite un nmero binario a travs del bus de datos, que debe convertirse en una seal analgica de corriente o de tensin. Para las salidas analgicas valen las mismas consideraciones sobre resolucin y exactitud explicadas para las entradas analgicas. A diferencia del mdulo de entradas analgicas, es frecuente que en el de salida analgica se disponga de un conversar D/A por canal. Los mdulos de salidas analgicas ofrecen 2, 4 8 canales, en tensin o en corriente. La composicin en bloques de un mdulo de salida analgica incluye: Buffer: Memoria donde la CPU escribe los valores binarios a convertir por el conversor, mientras ste opera sobre los dems canales. Aislacin: Opto aislacin para separar la CPU del campo. Conversor D/A: Es el encargado de transformar el nmero binario enviado por la CPU en una seal analgica. Proteccin: Se encarga de impedir daos al mdulo por conexin con polaridad invertida o fuera del rango permitido.

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2.9 Alimentacin de un PLC Volts: AC: 24 110 220

DC: 24 110 220 F N + -

Tecnologa complementaria a) Cableado de una entrada digital (Di) 24 volt DC + -

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c) cableado de una salida digital ( q)

+ 24 volt

d) Cableado de una salida anloga ( q)

e) Conexionado de un sensor inductivo al PLC

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2.10 CUESTIONARIO: Para medir el grado de comprensin, se solicita que responda brevemente en su cuaderno de taller, las siguientes preguntas: 1. Qu entiende usted por un controlador lgico programable? 2. Cmo se clasifican los PLC? 3. Cules son las ventajas de los PLC en comparacin con la lgica de rel? 4. Mencione las 5 etapas que componen la estructura de un autmata? 5. Cules son algunas de las funciones de un PLC? 6. Indique para que sirven los terminales de programacin de un PLC y cuantos tipos conoce. 7. Mencione algunos perifricos de un autmata. 8. Mencione 5 componentes elctricos que se conectan a la entrada de un PLC. 9. Mencione 4 componentes elctricos que se conectan a la salida de un PLC. 10. Cul es la diferencia de un PLC compacto de uno modular? 11. Que se entiende por un conversor A/D y conversor D/A? 12. Qu se denomina indicador de estado? 13. Que es una entrada discreta de una anloga? 14. Que se entiende por terminal de programacin? 15. Mencione 3 aplicaciones que nos permite la programacin EN LINEA. 16. Que funcin cumple la interfase de comunicacin o terminal del operador en la programacin de un PLC? 17. Describa el ejemplo de encendido y apagado de una lmpara a travs del PLC. 18. Qu entiende por mdulos de entrada y salida de un PLC? 19. Qu es la CPU? 20. Como eran los antiguos sistemas de produccin antes de la creacin del PLC y que cambios provoco en la industria, la llegada de este nuevo sistema de automatizacin.