Conceptos básicos de PLC

PROGRAMACIÓN DE CONTROLADORES
LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC)

INTRODUCCIÓN
El control automático, como actualmente lo conocemos, tiene su
primer antecedente en el Regulador de Watt, el famoso sistema que
controlaba la velocidad de una turbina de vapor en el año 1774.
A partir de aquel regulador, se desarrollaron innumerables
aplicaciones prácticas.
James Watt (1736-1819)

Las industrias de procesos contiguos tuvieron sus
primeras necesidades al requerir mantener las
variables de proceso en un determinado rango, a fin
de lograr los objetivos de diseño.
Las primeras industrias realizaban el control de las
variables de forma manual, a través de operadores
que visualizaban el estado del proceso mediante
indicadores ubicados en las cañerías y/o recipientes y
equipos.

El operador conocía el valor deseado de la variable
a controlar, y en función del error tomaba acciones
correctivas sobre un elemento final de control a fin
de minimizarlo. Por supuesto, el control manual era
descentralizado.
Cuando las plantas de producción crecieron y se
tornaron más complejas, se requirió cada vez mayor
cantidad de mano de obra.

El primer intento de reemplazar al hombre en las
tareas de control se realizó a través de elementos
mecánicos. Mecanismos como las válvulas de control
de nivel a flotante permitieron al hombre dedicarse a
otras tareas.
Sin embargo, el hecho de que el elemento mecánico
de control estuviera ubicado directamente sobre el
proceso, mantenía la obligación de ir al campo para
conocer el verdadero estado de las variables, así como
dejaba expuesto al medio ambiente a elementos de
regulación delicados.

El primer intento de reemplazar al hombre en las
tareas de control se realizó a través de elementos
mecánicos. Mecanismos como las válvulas de control
de nivel a flotante permitieron al hombre dedicarse a
estas tareas.
Sin embargo, el hecho de que el elemento mecánico
de control estuviera ubicado directamente sobre el
proceso, mantenía la obligación de ir al campo para
conocer el verdadero estado de las variables, así como
dejaba expuesto al medio ambiente a elementos de
regulación delicados.

A medida que las plantas industriales crecían, fue
surgiendo la necesidad de tener más información en
forma ordenada y accesible.
De esta forma, comenzaron aparecer los primeros
tableros de control, muchas veces ubicados cerca de
los equipos de proceso, y con frecuencia
transportando la variable a medir hasta el indicador
instalado en el panel.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS
PRIMEROS SISTEMAS DE CONTROL
REVOLUCIÓN INDUSTRIAL FINALES DEL SIGLO XIX Y PRINCIPIOS DEL XX.
BASADOS EN COMPONENTES MECÁNICOS Y ELECTROMAGNÉTICOS,
BÁSICAMENTE ENGRANAJES, PALANCAS, PEQUEÑOS MOTORES, RELÉS,
CONTADORES Y TEMPORIZADORES.
EL USO DE CONTADORES, RELÉS, TEMPORIZADORES, PARA AUTOMATIZAR
TAREAS FUE AUMENTANDO A LO LARGO DEL TIEMPO.
PROBLEMAS DERIVADOS :
ARMARIOS DONDE SE ALOJABAN ERAN MUY GRANDES Y VOLUMINOSOS
PROBABILIDAD DE AVERÍA MUY ALTA
LOCALIZACIÓN DE LA AVERÍA MUY DIFÍCIL Y COMPLICADA
COSTO ECONÓMICO MUY ALTO
NO FLEXIBLES

A PARTIR DE LOS AÑOS 50 SURGEN LOS SEMICONDUCTORES Y LOS
PRIMEROS CIRCUITOS INTEGRADOS. SUSTITUIRÍAN LAS FUNCIONES
REALIZADAS POR LOS RELÉS.
MEJORAS
SISTEMAS DE MENOR TAMAÑO Y CON MENOR DESGASTE.
REDUCÍA EL PROBLEMA DE FIABILIDAD Y DE STOCK.
PROBLEMA DE ESTOS SISTEMAS: SU FALTA DE FLEXIBILIDAD.
A FINALES DE LOS AÑOS 60, LA INDUSTRIA ESTABA DEMANDANDO CADA
VEZ MÁS UN SISTEMA ECONÓMICO, ROBUSTO, FLEXIBLE Y FÁCILMENTE
MODIFICABLE.
EN 1968 NACIERON LOS PRIMEROS AUTÓMATAS PROGRAMABLES O
CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC)

LOS PRIMEROS PLCS: MEMORIA CABLEADA Y UNA UNIDAD CENTRAL CONSTITUIDA POR
CIRCUITOS INTEGRADOS.
A PRINCIPIOS DE LOS 70, PLCS INCORPORAN EL MICROPROCESADOR
MÁS PRESTACIONES, ELEMENTOS DE COMUNICACIÓN HOMBRE-MÁQUINA MÁS MODERNOS,
MANIPULACIÓN DE DATOS, CÁLCULOS MATEMÁTICOS, FUNCIONES DE COMUNICACIÓN, ETC.
SEGUNDA MITAD DE LOS 70
MÁS CAPACIDAD DE MEMORIA, POSIBILIDAD DE ENTRADAS/SALIDAS REMOTAS, ANALÓGICAS Y
NUMÉRICAS, FUNCIONES DE CONTROL DE POSICIONAMIENTO, APARICIÓN DE LENGUAJES CON
MAYOR NÚMERO DE INSTRUCCIONES MÁS POTENTES Y, DESARROLLO DE LAS COMUNICACIONES
CON PERIFÉRICOS Y ORDENADORES.
DÉCADA DE LOS 80 LA MEJORA DE LAS PRESTACIONES SE REFIERE A:
VELOCIDAD DE RESPUESTA, REDUCCIÓN DE LAS DIMENSIONES, MAYOR CONCENTRACIÓN DE
NÚMERO DE ENTRADAS/SALIDAS EN LOS MÓDULOS RESPECTIVOS, DESARROLLO DE MÓDULOS
DE CONTROL CONTINUO, PID, SERVOCONTROLADORES, Y CONTROL INTELIGENTE.

MÁS CAPACIDAD DE DIAGNÓSTICO EN EL FUNCIONAMIENTO E INCREMENTO EN
LOS TIPOS DE LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN : DESDE LOS LENGUAJES DE
CONTACTOS, LENGUAJES DE FUNCIONES LÓGICAS, LISTA DE INSTRUCCIONES
BASADOS EN NEMOTÉCNICOS, FLUJOGRAMAS, LENGUAJES INFORMÁTICOS,
GRAFCET, ETC...

DEBIDO AL DESARROLLO DE LA ELECTRÓNICA. HOY EN DÍA HAY
DISTINTAS VARIEDADES DE AUTÓMATAS QUE VAN DESDE:
 MICROAUTÓMATAS Y NANOAUTÓMATAS QUE SE UTILIZAN EN
APERTURA Y CIERRE DE PUERTAS, DOMÓTICA, CONTROL DE
ILUMINACIÓN, CONTROL DE RIEGO DE JARDINES, ETC.
 AUTÓMATAS DE GAMA ALTA » PRESTACIONES DE UN PEQUEÑO
ORDENADOR

VIRTUDES Y TENDENCIAS
PRINCIPAL VIRTUD DE UN PLC ES SU ROBUSTEZ Y FACILIDAD DE
INTERCONEXIÓN CON EL PROCESO
TENDENCIA ACTUAL ES: DOTARLO DE FUNCIONES ESPECÍFICAS DE
CONTROL Y DE CANALES DE COMUNICACIÓN PARA QUE PUEDAN
CONECTARSE ENTRE SÍ Y CON ORDENADORES EN RED.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL SEGÚN LA TECNOLOGÍA

¿QUÉ DATOS DEBO CONOCER PARA LA
ELABORACIÓN DE UN AUTOMATISMO?

¿QUÉ ES UN PLC?
Se entiende por Controlador Lógico
Programable (PLC), o Autómata Programable, a
toda máquina electrónica, diseñada para controlar
en tiempo real y en medio industrial procesos
secuenciales

¿QUÉ PUEDE HACER UN PLC?
Realiza funciones lógicas: series, paralelos,
temporizaciones, cuentas y otras más potentes
como cálculos, regulaciones, etc.

OTRA DEFINICIÓN
También se le puede definir como una «caja negra» en la que
existen unos terminales de entrada a los que se conectarán
pulsadores, finales de carrera, fotocélulas, detectores. También
posee terminales de salida a los que se conectarán bobinas de
contactores, electroválvulas, lámparas, etc, de tal forma que la
actuación de estos últimos está en función de las señales de entrada
que estén activadas en cada momento, según el programa
almacenado.

FUNCIÓN DEL USUARIO:
La tarea del usuario se reduce a realizar el
“programa”, que no es más que la relación entre
las señales de entrada que se tienen que cumplir
para activar cada salida.

CAMPO DE APLICACIÓN
Aplicaciones donde se requiere:
 Espacio reducido.
 Procesos de producción periódicamente cambiantes.
 Procesos secuenciales.
 Maquinaria de procesos variables.
 Instalaciones de procesos complejos y amplios.
 Chequeo de programación centralizada de las partes
del proceso.

EJEMPLOS DE APLICACIONES
a) Máquinas
 Industria del mueble y madera.
 En procesos de arena y cemento.
 En la industria del plástico.
 Máquinas- herramientas complejas.
 En procesos textiles y de confección.
 De ensamblaje.
 Transfer.

b) Instalaciones.
 De aire acondicionado, calefacción, etc.
 De seguridad.
 De frío industrial.
 De almacenamiento y trasvase de cereales.
 De plantas embotelladoras.
 En la industria de automoción.
 De tratamientos térmicos.
 De plantas depuradoras de residuos.
 De cerámica.

c) Señalización y control.
 Chequeo de programas.
 Señalización del estado de procesos.

VENTAJAS
 No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que,
por lo general, la capacidad de almacenamiento del módulo
de memoria es lo suficientemente grande.
 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.
 Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el
cableado ni añadir aparatos.
 Mínimo espacio de ocupación.
 Menor coste de mano de obra de la instalación.
 Economía de mantenimiento. Además de aumentar la
fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los
mismos PLC pueden detectar e indicar averías.
 Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo PLC.
 Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso
al quedar reducido el tiempo de cableado.

INCONVENIENTES.
 Hace falta un programador, lo que obliga a
adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido.
 Como el costo inicial, que puede o no ser un
inconveniente, según las características del
automatismo en cuestión

ESTRUCTURA DE LOS PLC´S.
Estructura externa.
 • Estructura compacta.
 • Estructura modular.

ESTRUCTURA COMPACTA.
 Este tipo de PLCs se distingue por presentar en un solo
bloque todos sus elementos, esto es, fuente de
alimentación, CPU, memorias, entradas/salidas, etc. En
cuanto a su unidad de programación, existen tres
versiones: unidad fija o enchufable directamente en el
PLC; enchufable mediante cable y conector, o la
posibilidad de ambas conexiones.
 Si la unidad de programación es sustituida por un PC,
nos encontraremos que la posibilidad de conexión del
mismo será mediante cable y conector.
 El montaje del PLC al armario que ha de contenerlo se
realiza por cualquiera de los sistemas conocidos: riel
DIN, placa perforada, etc.

ESTRUCTURA MODULAR
 Estructura Americana.
Se caracteriza por separar las E/S del resto del PLC, de
tal forma que en un bloque compacto están reunidas las
CPU, memoria de usuario o de programa y fuente de
alimentación, y separadamente las unidades de E/S en
los bloques o tarjetas necesarias.
 Estructura Europea.
Su característica principal es la de que existe un módulo
para cada función: Fuente de alimentación, CPU,
entradas/salidas, etc. La unidad de programación se
une mediante cable y conector. La sujeción de los
mismos se hace bien sobre carril DIN o placa perforada,
bien sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo
de unión de los distintos módulos que lo componen.

ESTRUCTURA INTERNA.
 La Sección de Entradas.
 La Unidad Central de Procesos o CPU.
 La Sección de salidas.

ENTRADAS.
Funciones:
 Adapta y codifica de forma comprensible por la
CPU las señales procedentes de los dispositivos de
entrada o captadores, esto es, pulsadores, finales
de carrera, sensores, etc.
 Protege a los circuitos electrónicos internos del
PLC, realizando una separación eléctrica entre
éstos y los captadores.

UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO.
La unidad central de proceso (CPU) es la
inteligencia del sistema, ya que mediante la
interpretación de las instrucciones del programa de
usuario y en función de los valores de las entradas,
activa las salidas deseadas.

SALIDAS.
Mediante el interfaz, trabaja de forma inversa a la
de entradas, es decir, decodifica las señales
procedentes de la CPU, las amplifica y manda con
ellas los dispositivos de salida o actuadores, como
lámparas, relés, contactores, arrancadores,
electroválvulas, etc., aquí también existen unos
interfaces de adaptación a las salidas y de
protección de circuitos internos.

OTRAS PARTES DEL PLC
 La unidad de alimentación.
 La unidad o consola de programación si no se
programa desde la PC.

MEMORIAS.
 Llamamos memoria a cualquier dispositivo que nos
permita almacenar información en forma de bits
(ceros y unos).

¿QUÉ ES UN BIT?
 La palabra bit deriva de las dos palabras inglesas
"binary digit" cifra binaria, y designa a las dos cifras
0 y 1, que se utilizan en el sistema binario.
 Un bit es también, la porción más pequeña de
información representable mediante un número, e
indica si una cosa es verdadera o falsa, alta o baja,
negra o blanca, etc.

¿QUÉ ES UN BYTE?
 Un byte es generalmente una secuencia de 8 bits. Ocho
ceros y unos se pueden ordenar de 256 maneras
diferentes ya que cada bit tiene un valor de posición
diferente, donde el bit numero 1 le corresponderá un
valor de posición de 20(1), el siguiente bit tendrá un
valor de 21(2), el siguiente 22(4), el siguiente 23(8), el
siguiente 24(16), el siguiente un valor de 25(32), y así
sucesivamente hasta llegar la ultima posición, o ultimo
bit, en este caso el numero 8, que también es llamado
el MSB (Bit Mas Significativo) y el LSB (Bit Menos
Significativo) correspondiente a la primera posición o bit
numero 1. Ejemplo:

TIPOS DE MEMORIAS.
 Memoria RAM (Random Access Memory),
memoria de acceso aleatorio o memoria de
lectura - escritura.
En este tipo de memorias se pueden realizar los
procesos de lectura y escritura por procedimiento
eléctrico, pero su información desaparece al faltarle
la corriente (memoria volátil).

TIPOS DE MEMORIAS.
 Memoria ROM (Read Only Memory), o memoria
de sólo lectura.
En estas memorias se puede leer su contenido,
pero no se puede escribir en ellas; los datos e
instrucciones los graba el fabricante y el usuario no
puede alterar su contenido. Aquí la información se
mantiene ante la falta de corriente.

 Pero éstas no son todas las memorias disponibles,
existen otros tipos en las que los sistemas de
programación, su borrado y su volatilidad o
permanencia de la información marcan sus
diferencias.
TIPOS DE MEMORIAS.

TIPOS DE MEMORIAS.
Memorias EPROM y EEPROM.
Independientemente de otras aplicaciones, algunas
ya mencionadas en los párrafos anteriores, este
tipo de memorias tiene gran aplicación como
memorias copia para grabación y archivo de
programas de usuario.

El programa de usuario normalmente se graba en
memoria RAM, ya que no sólo ha de ser leído por
el microprocesador, sino que ha de poder ser
variado cuando el usuario lo desee, utilizando la
unidad de programación. En algunos PLCs, la
memoria RAM se auxilia de una memoria sombra
del tipo EEPROM
La desconexión de la alimentación o un fallo de la
misma borrarían esta memoria, ya que al ser la
RAM una memoria volátil necesita estar
constantemente alimentada y es por ello que los
PLC´s que la utilizan llevan incorporada una batería
tampón que impide su borrado
MEMORIA DEL USUARIO

MEMORIA DE DATOS.
La memoria de esta área también es del tipo RAM,
ó NVRAM. En ella se encuentra, por un lado, la
imagen de los estados de las entradas y salidas y,
por otro, los datos numéricos y variables internas,
como contadores, temporizadores, marcas, etc.

MEMORIA DE PROGRAMA.
Esta memoria que junto con el procesador
componen la CPU, se encuentra dividida en dos
áreas: la llamada memoria del sistema, que utiliza
memoria RAM, y la que corresponde al programa
del sistema o firmware, que lógicamente es un
programa fijo grabado por el fabricante y, por tanto,
el tipo de memoria utilizado es ROM. En algunos
PLC´s se utiliza únicamente la EPROM, de tal
forma que se puede modificar el programa
memoria del sistema previo borrado del anterior
con UV.

CPU UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO
Está constituida por los elementos siguientes:
 Procesador
 Memoria
 Circuitos auxiliares

PROCESADOR.
Está constituido por el microprocesador, el
generador de impulsos de onda cuadrada o reloj y
algún chip auxiliar.
El procesador se monta sobre una placa de circuito
impreso, en ella y junto al chip se sitúan todos
aquellos circuitos integrados que lo componen,
principalmente memorias ROM del sistema o
firmware. En algunos tipos de PLC aquí se sitúan
también los chips de comunicación con periféricos
o de interconexión con el sistema de entradas
salidas.

EL MICROPROCESADOR.
Es un circuito integrado (chip) a gran escala de
integración (LSI) que realiza una gran cantidad de
operaciones, que podemos agrupar en:
 Operaciones de tipo lógico.
 Operaciones de tipo aritmético.
 Operaciones de control de la transferencia de la
información dentro del PLC.

CIRCUITOS INTERNOS
Los circuitos internos pueden ser de tres tipos:
 Circuitos de la unidad aritmética y lógica o
ALU. Es la parte del microprocesador donde
se realizan los cálculos y las decisiones lógicas
para controlar al PLC.
 Circuitos de la unidad de control o UC.
Organiza todas las tareas del microprocesador. Así, por ejemplo, cuando
una instrucción del programa codificada en código máquina (ceros y
unos) llega al microprocesador, la UC sabe, mediante una pequeña
memoria ROM que incluye, qué secuencia de señales tiene que emitir
para que se ejecute la instrucción.
 Registros.
Los registros del microprocesador son memorias en las que se
almacenan temporalmente datos, instrucciones o direcciones mientras
necesitan ser utilizados por el microprocesador.
Los registros más importantes de un microprocesador son los de
instrucciones, datos, direcciones, acumulador, contador de programa, de
trabajo y el de bandera o de estado.

BUSES.
No son circuitos en sí, sino zonas conductoras en
paralelo que transmiten datos, direcciones,
instrucciones, y señales de control entre las
diferentes partes del PP.
Se puede hacer una diferencia entre buses internos
y externos. Los primeros unen entre sí las
diferentes partes del microprocesador, mientras
que los segundos son pistas de circuito impreso
que unen chips independientes. Los buses internos
y externos son continuación unos de los otros.
La CPU se pondrá en comunicación con la tarjeta
cuya dirección coincida con la combinación del bus.

¿CÓMO FUNCIONA LA CPU?
Antes de iniciar el ciclo de ejecución, el procesador,
a través del bus de datos, consulta el estado 0 ó 1
de la señal de cada una de las entradas y la
almacena en los registros de la memoria de
entradas, esto es, en la zona de entradas de la
memoria de la tabla de datos. Esta situación se
mantiene durante todo el ciclo del programa.

 Luego las almacena en los registros de la memoria
de entradas, esto es, en la zona de entradas de la
memoria de la tabla de datos. Esta situación se
mantiene durante todo el ciclo del programa.

 A continuación, el procesador accede y elabora las
sucesivas instrucciones del programa, realizando
las concatenaciones correspondientes de los
operandos de estas instrucciones.

 Seguidamente asigna el estado de señal a los
registros de las salidas de acuerdo a la
concatenación anterior, indicando si dicha salida ha
o no de activarse, situándola en la zona de salida
de la tabla de datos.

 Al final del ciclo, una vez concluida la elaboración
del programa, asigna los estados de las señales de
entrada a los terminales de entrada y los de salida
a las salidas, ejecutando el estado 0 ó 1 en estas
últimas.

ENTRADAS.
Las entradas son fácilmente identificables, ya que se
caracterizan físicamente por sus bornes para acoplar los
dispositivos de entrada o captadores, por su numeración, y
por su identificación INPUT o ENTRADA; llevan además una
indicación luminosa de activado por medio de un
diodo LED. En cuanto a
su tensión, las entradas
pueden ser de tres tipos:
 Libres de tensión.
 Corriente continua.
 Corriente alterna.

SEÑALES ELÉCTRICAS
 Pueden ser: analógicas y digitales.

ANALÓGICAS.
Cuando la magnitud que se acopla a la entrada
corresponde a una medida de, por ejemplo,
presión, temperatura, velocidad, etc., esto es,
analógica, es necesario disponer de este tipo de
módulo de entrada. Su principio de funcionamiento
se basa en la conversión de la señal analógica a
código binario mediante un convertidor analógico-
digital (ADC).

DIGITALES.
Son las más utilizadas y corresponden a una señal
de entrada todo o nada, esto es, a un nivel de
tensión o a la ausencia de la misma. Ejemplo de
elementos de este tipo son los finales de carrera,
interruptores, pulsadores, etc.

SALIDAS.
La identificación de las salidas se realiza igual que
en las entradas, figurando en este caso la
indicación de OUTPUT o SALIDA. Es en las salidas
donde se conectan o acoplan los dispositivos de
salida o actuadores, e incluye un indicador
luminoso LED de activado.
Tres son los tipos de salidas que se pueden dar:
 A relé.
 A transistor.
 A triac.

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