Controladores lógicos programables (PLCs): Fundamentos, Tipos y Aplicaciones

¿Qué es un PLC?

PLC significa «controlador lógico programable». Un PLC es una computadora especialmente diseñada para funcionar de manera confiable en entornos industriales hostiles, como temperaturas extremas, condiciones húmedas, secas y/o polvorientas. Los PLC se utilizan para automatizar procesos industriales como la línea de ensamblaje de una planta de fabricación, una planta de procesamiento de mineral o una planta de tratamiento de aguas residuales.,

Los PLC comparten muchas características de la computadora personal que tiene en casa. Ambos tienen una fuente de alimentación, una CPU (unidad Central de procesamiento), entradas y salidas (E/S), memoria y software operativo (aunque es un software operativo diferente).

las mayores diferencias son que un PLC puede realizar funciones discretas y continuas que un PC no puede hacer, y un PLC es mucho más adecuado para entornos industriales difíciles. Un PLC puede ser considerado como un ordenador digital «robusto» que gestiona los procesos electromecánicos de un entorno industrial.,

Los PLC juegan un papel crucial en el campo de la automatización, al formar parte de un sistema SCADA más grande. Se puede programar un PLC de acuerdo con los requisitos operativos del proceso. En la industria manufacturera, habrá una necesidad de reprogramación debido al cambio en la naturaleza de la producción. Para superar esta dificultad, se introdujeron sistemas de control basados en PLC. Primero discutiremos los conceptos básicos de PLC antes de mirar varias aplicaciones de PLC.

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conceptos básicos de PLC

Los PLC fueron inventados por Dick Morley en 1964. Desde entonces PLC ha revolucionado los sectores industrial y manufacturero. Hay una amplia gama de funciones de PLC como temporización, Conteo, cálculo, comparación y procesamiento de varias señales analógicas.

la principal ventaja del PLC sobre un sistema de control» cableado » es que puede volver y cambiar un PLC después de haberlo programado, a poco costo (solo el costo del tiempo del programador)., En un sistema de control cableado, esencialmente tienes que arrancar los cables y comenzar desde cero (que es más caro y lleva más tiempo). Veamos un ejemplo para entender mejor esta ventaja.

Imagine que tiene una luz conectada a un interruptor. En general, la luz funciona bajo dos condiciones: encendido y apagado. Ahora se le da una tarea que cuando se enciende el interruptor, la luz debe brillar solo después de 30 segundos. Con esta configuración cableada, estamos atascados. La única manera de lograr esto es volver a cablear completamente nuestro circuito para agregar un relé de sincronización., Eso es un montón de problemas para un cambio menor.

aquí es donde un controlador de lógica programable viene en la foto, que no requiere ningún cableado adicional y hardware para asegurarse de un cambio. Más bien requiere un simple cambio en el código, programando el PLC para que solo encienda la luz 30 segundos después de que se encienda el interruptor. Por lo tanto, mediante el uso de un PLC, es fácil incorporar múltiples entradas y salidas.,

Este es solo un ejemplo simple: un PLC tiene la capacidad de controlar procesos mucho más grandes y complejos. Un PLC se puede personalizar en función de la aplicación y las necesidades del usuario.

¿Cómo funciona un PLC de trabajo?

el funcionamiento de un controlador lógico programable puede entenderse fácilmente como un método de escaneo cíclico conocido como el ciclo de escaneo.,

UN PLC Proceso de análisis incluye los siguientes pasos

• se inicia El sistema operativo y la vigilancia en bicicleta de tiempo.
• La CPU comienza a leer los datos del módulo de entrada y comprueba el estado de todas las entradas.
• La CPU comienza a ejecutar el programa de usuario o aplicación escrito en relay-ladder logic o cualquier otro lenguaje de programación PLC.
• a continuación, la CPU realiza todas las tareas internas de diagnóstico y comunicación.,
• de acuerdo con los resultados del programa, escribe los datos en el módulo de salida para que todas las salidas se actualicen.
• este proceso continúa mientras el PLC esté en modo de ejecución.

estructura física del PLC

la estructura de un PLC es casi similar a la arquitectura de un ordenador.

Controladores lógicos Programables monitorea continuamente los valores de entrada de la entrada de varios dispositivos de detección (por ejemplo,, acelerómetro, escala de peso, señales cableadas, etc.) y produce la producción correspondiente dependiendo de la naturaleza de la producción y la industria. Un diagrama de bloque típico de PLC consta de cinco partes, a saber:

• Rack o chasis
• Módulo de fuente de alimentación
• Unidad de procesamiento Central (CPU)
• Input & Módulo de salida
• Módulo de interfaz de Comunicación

Rack o chasis

en todos los sistemas PLC, el rack módulo importante y actúa como columna vertebral del sistema. Los PLC están disponibles en diferentes formas y tamaños., Cuando se trata de sistemas de control más complejos, se requieren bastidores PLC más grandes.

el PLC de pequeño tamaño está equipado con una configuración de pin de E/S fija. Por lo tanto, han optado por el PLC de rack de tipo modular, que acepta diferentes tipos de Módulos de E/S con deslizamiento y ajuste en concepto. Todos los módulos de E/S residirán dentro de este bastidor/chasis.

Módulo de fuente de Alimentación

Este módulo se utiliza para proporcionar la potencia necesaria para todo el sistema PLC., Convierte la alimentación de CA disponible en alimentación de CC que requiere la CPU y el módulo de E/S. PLC generalmente funciona en una fuente de 24V DC. Pocos PLC utilizan una fuente de alimentación aislada.

CPU Module and Memory

CPU module has a central processor, ROM & RAM memory. La memoria ROM incluye un sistema operativo, controladores y programas de aplicación. La memoria RAM se utiliza para almacenar programas y datos. CPU es el cerebro del PLC con un microprocesador octal o hexagonal.

al ser una CPU basada en microprocesador, reemplaza temporizadores, relés y contadores., Se pueden incorporar dos tipos de procesadores como un solo bit o procesador de texto con un PLC. Un procesador de bits se utiliza para realizar funciones lógicas. Mientras que los procesadores de texto se utilizan para procesar texto, datos numéricos, control y registro de datos.

la CPU lee los datos de entrada de los sensores, los procesa y finalmente envía el comando a los dispositivos de control. Fuente de alimentación de CC, como se mencionó en la discusión anterior se requiere señales de voltaje. La CPU también contiene otras partes eléctricas para conectar los cables utilizados por otras unidades.,

Módulo de entrada y salida

¿alguna vez ha pensado en cómo detectar parámetros físicos como temperatura, presión, flujo, etc.? ¿usando PLC? Por supuesto, PLC tiene un módulo exclusivo para interconectar entradas y salidas, que se llama un módulo de salida input &.

Los dispositivos de entrada pueden ser botones de arranque y parada, interruptores, etc. y los dispositivos de salida pueden ser un calentador eléctrico, Válvulas, relés,etc. El módulo de E/S ayuda a conectar los dispositivos de entrada y salida con un microprocesador. El módulo de entrada del PLC se explica en la siguiente figura.,

The input module of PLC does four main functions.,

1. La interfaz del módulo de entrada recibe la señal de los dispositivos de proceso a 220 V AC
2. convierte la señal de entrada a 5 V DC que puede ser utilizada por PLC
3. El bloque aislador se utiliza para aislar/evitar que el PLC sufra fluctuaciones
4. Después de lo cual la señal se envía al extremo de salida, es decir, el PLC

hay dos secciones principales en el módulo de entrada, a saber, la sección de potencia y la sección Lógica.. Ambas secciones están aisladas eléctricamente entre sí. Inicialmente pulsador está cerrado., Por lo tanto, la alimentación de 220 V CA se da al circuito del puente a través de las resistencias R1 y R2.

un rectificador de puente (como un rectificador de Puente de diodo) se utiliza para convertir la señal de CA en CC y el diodo Zener se utiliza para proporcionar un suministro de baja tensión al LED. Cuando la luz del LED cae en el Fototransistor, funciona en la región de conducción. Finalmente, se da un suministro de 5V DC al procesador.

el módulo de salida del PLC funciona de manera similar al módulo de entrada, pero en el proceso inverso. Conecta la carga de salida y el procesador., Así que aquí la primera sección sería sesión lógica y la sección de energía viene a continuación. El funcionamiento del módulo de salida se muestra en la siguiente figura

así que, aquí cuando se genera la señal de alta lógica del programa desde el procesador, LED se encenderá y permitirá que la luz caiga en un fototransistor. Cuando el transistor va a la región de conducción, genera un pulso a la puerta del Triac., El bloque aislador se utiliza para aislar la sección Lógica y la sección de control.

Módulo de interfaz de comunicación

para transferir información entre la CPU y las redes de comunicación, se utilizan módulos de E/S inteligentes. Estos módulos de comunicación ayudan a conectarse con otros PLC y computadoras que se colocan en una ubicación remota.

tipos de PLC

los dos tipos principales de PLC son PLC fijo / compacto y PLC modular.

PLC compacto

dentro de un solo caso, habría muchos módulos. Tiene un número fijo de Módulos de E/S y tarjetas de E / S externas., Por lo tanto, no tiene la capacidad de ampliar los módulos. Cada entrada y salida sería decidida por el fabricante.

PLC Modular

Este tipo de PLC permite la expansión múltiple a través de» Módulos», por lo tanto denominado PLC Modular. Los componentes de E / S Se pueden aumentar. Es más fácil de usar porque cada componente es independiente entre sí.,

PLC se dividen en tres tipos en función de la salida a saber, salida de Relé, Transistor de salida, y el Triac de Salida del PLC. El tipo de salida de relé es el más adecuado para dispositivos de salida de CA y CC. El tipo PLC de salida de Transistor utiliza operaciones de conmutación y se usa dentro de microprocesadores.

de acuerdo con el tamaño físico, un PLC se divide en mini, Micro y Nano PLC.,

algunos de los fabricantes de PLC incluyen:

• Allen Bradley
• ABB
• Siemens
• Mitsubishi PLC
• Hitachi PLC
• Delta PLC
• General Electric (GE) PLC
• Honeywell PLC

variedad de aplicaciones y usos, incluyendo:

1. plantas de automatización de procesos (p. ej., minería, petróleo & gas)
2. industria del vidrio
3. industria del papel
4. fabricación de cemento
5. en calderas-centrales térmicas

programación de PLC

Cuando se utiliza un PLC, es importante diseñar e implementar conceptos dependiendo de su caso de uso particular. Para hacer esto, primero necesitamos saber más sobre los detalles de la programación de PLC.

un programa PLC consiste en un conjunto de instrucciones en forma textual o gráfica, que representa la lógica que gobierna el proceso que el PLC está controlando., Hay dos clasificaciones principales de lenguajes de programación PLC, que se dividen en muchos tipos subclasificados.

1. Lenguaje Textual
   • lista de instrucciones
   • texto estructurado
2. forma gráfica
   • diagramas de escalera (LD) (es decir, lógica de escalera)
   • diagrama de bloques de funciones (FBD)
   • gráfico de funciones secuencial (SFC)

aunque todos estos lenguajes de programación PLC se pueden programe un PLC, los lenguajes gráficos (como la lógica de escalera) son típicamente preferidos a los lenguajes textuales (como la programación de texto estructurado).,

lógica de escalera

la lógica de escalera es la forma más simple de programación de PLC. También se conoce como»relay logic». Los contactos de relé utilizados en los sistemas controlados por relé se representan mediante lógica de escalera.
la siguiente figura muestra un ejemplo simple de un diagrama de escalera.

en el ejemplo mencionado anteriormente, se utilizan dos botones para controlar la misma carga de la lámpara. Cuando cualquiera de los interruptores está cerrado, la lámpara brillará.,

las dos líneas horizontales se llaman peldaños y las dos líneas verticales se llaman rieles. Cada peldaño forma la conectividad eléctrica entre el riel positivo (P) y el riel negativo (N). Esto permite que la corriente fluya entre los dispositivos de entrada y salida.

diagramas de bloques funcionales

El diagrama de bloques funcionales (FBD) es un método simple y gráfico para programar múltiples funciones en PLC. PLCOpen ha descrito el uso de FBD en la norma IEC 61131-3. Un bloque de función es una unidad de instrucción de programa que, cuando se ejecuta, produce uno o más valores de salida.,

está representado por un bloque como se muestra a continuación. Se representa como un bloque rectangular con entradas que entran a la izquierda y líneas de salida que salen a la derecha. Proporciona una relación entre el estado de entrada y salida

La ventaja de usar FBD es que cualquier número de entradas y salidas se puede utilizar en el bloque funcional. Al usar múltiples entradas y salidas, puede conectar la salida de un bloque de funciones a la entrada de otro., Whereby building a Function Block Diagram.

The figure below shows various function blocks used in FBD programming.

The figure below shows a ladder diagram and its function block equivalent in Siemens notation.,

Structured Text Programming

Structured text is a textual programming language that utilizes statements to determine what to execute. It follows more conventional programming protocols but it is not case sensitive., Una serie de sentencias (lógica) se constituye de expresar asignaciones y relaciones usando varios operadores. Los operadores de texto de estructuras se enumeran a continuación en la imagen.

ejemplos de programación de PLC

se requiere encender una lámpara de señal si una bomba está funcionando y la presión es satisfactoria, o si el interruptor de prueba de la lámpara está cerrado., En esta aplicación, si debe haber una salida de la lámpara, se requieren entradas tanto de la bomba como de los sensores de presión. Por lo tanto, y puertas lógicas se utilizan.

o lógica se utiliza para la condición de entrada de prueba, se requiere para dar una salida de la lámpara en independientemente de si hay una señal del sistema y. Usando la instrucción del extremo o del RET en el diagrama de la escalera, podemos decir que el PLC ha alcanzado el final del programa. El diagrama de bloques de función y el diagrama de escalera se muestran a continuación en la figura.,

como otro ejemplo, considere una válvula que se debe operar para levantar una carga cuando una bomba está funcionando y se acciona el interruptor de elevación o se acciona un interruptor que indica que la carga no se ha levantado ya y está en la parte inferior de su canal de elevación.

or logic se utiliza para dos interruptores y an and logic se utiliza con dos interruptores y la bomba. La válvula solo se accionará si la bomba está encendida y se accionan dos interruptores.,

considere una máquina de bebidas que permita la selección de té o café, leche o sin leche, azúcar o suministre la bebida caliente requerida en la inserción de una moneda. A partir de la figura que se muestra a continuación, se ve que el té o el café se selecciona utilizando la primera puerta o la lógica.

la primera y la puerta dan una salida cuando se selecciona té o café y se inserta una moneda en la máquina., La salida de este y la puerta se da a la segunda y la puerta. El segundo y la puerta funcionan solo cuando el agua caliente se combina con el té. La leche y el azúcar son adiciones opcionales que pueden ocurrir después de que se ha insertado una moneda.,

history of PLCs

muchos de los primeros PLCs no eran capaces de representar gráficamente la lógica, por lo que en su lugar se representaba como una serie de expresiones lógicas en un formato booleano (similar algebra).,

a medida que los terminales de programación evolucionaron, se hizo más común el uso de lógica de escalera, ya que era un formato familiar utilizado para paneles de control electromecánicos. Existen formatos más modernos, como la lógica de estado y los diagramas de bloques de función, pero todavía no son tan populares como la lógica de escalera.

una posible razón para esto es que los programadores prefieren el atractivo más visual de la lógica de escalera sobre la programación de texto estructurado.,

hasta aproximadamente mediados de la década de 1990, los PLC se programaban utilizando paneles de programación propietarios o terminales de programación de propósito especial, que a menudo tenían teclas de función dedicadas que representaban los diversos elementos lógicos de los programas PLC.

algunos terminales de programación propietarios mostraban los elementos de los programas PLC como símbolos gráficos, pero las representaciones simples de código ASCII de contactos, bobinas y cables eran comunes.