plc

1. Controladores industriales

2. 2
1. Breve historia de los PLCs
2. Estructura general
3. Componentes de hardware
4. Tipos de PLCs
5. Tipos de señales
6. Principio de funcionamiento
Temas principales

3. 3
Introducción a los PLCs (1)
 PLC significa Controlador Lógico Programable *.
 Qué es un PLC? Un PLC es un ordenador especializado, utilizado en los
sistemas de control automático (Fig.1, 2) para manufactura y otros procesos de
máquinas de cualquier tipo de explotación y condiciones meteorológicas – rangos
de temperatura, humedad, presión, polvo, situaciones ambientales agresivas,
vibraciones, choques etc. Los requerimientos sobre la construcción eléctrica
y mecánica de los PLC son extremadamente elevados.
 NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) proporciona la siguiente
definición de un PLC: Instrumento electrónico, que utiliza memoria programable
para guardar instrucciones sobre la implementación de determinadas funciones ,
como operaciones lógicas, secuencias de acciones, especificaciones temporales,
contadores y cálculos para el control mediante módulos de E/S analógicos o
digitales sobre diferentes tipos de máquinas y de procesos”.
* Se utilizará más a menudo la abreviatura debido a su popularidad.

4. 4
Introducción de los PLCs (2)
 Los PLCs se utilizan en operaciones en tiempo real. Esto significa que el
tiempo para tomar y procesar los datos de entrada debe ser lo suficientemente
pequeño para que los dispositivos procesen la salida en el debido tiempo.
 Los PLCs tienen aplicación en campos tales como cósmica y técnicas militares,
automoción e industria aeroespacial, construcción y técnicas de computación
agrícolas y de construcción etc.
 Los PLCs operan, normalmente, en la parte más baja de tres capas de las redes
industriales denominada capa de campo, donde se encuentra la conexión más
cercana a dispositivos de campo como sensores, actuadores, etc.
.

5. 5
Ventajas del control mediante PLCs
 Tiempo de reacción reducido – conveniente en operaciones de tiempo real
 Flexibilidad – se adaptan fácilmente a nuevas tareas modificando la
programación
 Comunicación inmediata con otro tipo de controladores y ordenadores y
posibilidad de operación en una red industrial
 Construcción estable – diseñado para poder resistir vibraciones,
temperaturas extremas, situaciones de humedad y ruidos.
 Fácilmente programables por medio de lenguajes de programación
comprensibles incluso por aquellos que no son especialistas en IT.
 Facilidad de expansión (en el caso de construcciones modulares), así como
de detectar defectos de operación por medio de programas de diagnóstico.
 Son baratos.

6. 6
Modelo general de un sistema de control y su
desarrollo. El papel del PLC
Fig.1

7. 7
Modelo jerárquico de un sistema de control
automático moderno
Fig.2

8. 8
Breve historia de los PLCs (1)
 Los PLCs comenzaron a utilizarse a finales de los años 60. La compañía
americana Bedford Associates sugirió un Controlador Modular Digital
(MODICON) para su utilización en una compañía de automoción. MODICON
084 fue el primer PLC con una aplicación industrial (1968 ).
 A mediados de los años 70 – apareció la tecnología PLC, basada en
bmicroprocesadores bit-slice (ej. AMD 2901/2903). Los principales
productores de PLCs en esos tiempos fueron compañías como: Allen-Bradley,
Siemens, Festo, Fanuc, Honeywell, Philips, Telemecanique, General Electric
etc.
 En 1973 aparecieron los PLCs con la capacidad de comunicación - Modbus de
MODICON. De este modo, los PLCs eran capaces de intercambiar información
entre ellos y podían situarse lejos de los procesadores y los objetos que iban a
controlar. No había estandarización y se generó una gran variedad de
incompatibilidades en la comunicación.

9. 9
 Durante los años 80 – se realizaron diversos intentos para la estandarización
de la comunicación en el campo de los PLCs. General Motors creó el
protocolo MAP (Protocolo de Fabricación Automática). En lugar de los
terminales y programas especializados, se genero un medio de programación
mediante ordenadores. Funciones de control distribuido fueron diseñadas.
 En los años 90 – se produjo una considerable reducción del número de
protocolos, así como un perfeccionamiento de los ya existentes. El estándar
internacional IEC 1131-3 fue introducido para unificar los medios de
programación y los lenguajes en el campo de los PLCs.
 Otras innovaciones:
– El campo de las redes de bus fue introducido como parte de la estructura con tres
niveles de jerarquía de las redes industriales (ver Fig.2).
– El estándar Ethernet se introdujo completamente
– Las dimensiones de un PLC fueron reducidas considerablemente
– PLCs con un nivel de reserva triple fueron creados por seguridad
Breve historia de los PLCs (2)

10. 10
PLC – arquitectura simplificada y sistema PLC
Arquitectura de un PLC y sistema PLC. La arquitectura es muy similar a la
arquitectura estándar de un ordenador

11. 11
Componentes y estructura de los PLC – diagrama de flujo
Fig.3. Diagrama de flujo generalizado de un PLC

12. 12
 Modulo de suministro de potencia. El propósito principal del módulo
de suministro de potencia es garantizar los voltajes de operación
internos para el controlador y sus bloques. Los voltajes internos más
usados frecuentemente son +5V, ±12V y +24V.
 Existen dos tipos principales de módulos de suministro de potencia
- unos, utilizan un voltaje de entrada de la red de trabajo (e.j. 220V AC)
y otros, utilizan suministradores de potencia operacionales para el
control de los objetos (e.j. 24V DC). Además, el módulo de suministro
de potencia puede enviar al controlador una señal para cancelar el
voltaje de entrada (Bajar Potencia).
Componentes y estructura de los PLC – modulo de
suministro de potencia

13. 13
 Unidad Central de Procesamiento (CPU). Contiene la parte de
procesamiento del controlador. La CPU esta basada en un
microprocesador y permite utilizar aritmética y operaciones lógicas,
movimientos de un lugar a otro de la memoria, interfaz del ordenador,
operaciones en una red de trabajo local, diferentes funciones etc.
 La CPU testea frecuentemente el PLC para encontrar errores en su
debido tiempo.
 Los primeros PLCs empleaba chips utilizando la técnica de procesamiento
especializado denominada bit-slice, tales como AMD2901, 2903 etc.
 Buses. Los PLCs utilizan 4 tipos de buses:
– Bus de datos – para transferir datos mediante los componentes individuales;
– Bus de direcciones – para transferir direcciones de celdas donde se han
guardado datos;
– Bus de control – para transferir señales de control internas.
– Bus de sistema – para conectar los puertos con los módulos de E/S
Componentes y estructura de los PLC – modulo de
procesamiento

14. 14
 Memoria. Se divide en memoria permanente (PM) y memoria operacional
(conocida como Memoria de Acceso Aleatorio - RAM). La PM se basa en ROM,
EPROM, EEPROM o FLASH. Toda la memoria permanente o una parte de ella
puede ser reemplazada. La memoria operacional que se utiliza más habitualmente
es la de tipo SRAM. Normalmente, parte de la RAM (o toda la cantidad de ella)
necesita una fuente de potencia ininterrumpida – acumuladores de batería.
 El sistema de operación de un PLC se guarda y se ejecuta desde la ROM. El
programa utilizado se guarda y ejecuta desde la RAM.
 La condición común para las entradas de dos posiciones digitales de un PLC se
guarda en una parte de la RAM, y se denomina tabla PII (Entrada Imagen de
Proceso). El último valor de salida calculado por las funciones lógicas (salida
controlada) se guarda en una parte de la RAM denominada tabla PIO (Salida de
Imagen de Proceso)
 El programa utilizado puede guardarse en una memoria externa permanente
también (EPROM o EEPROM), los cuales, en ciertos PLCs, puede ser un módulo
externo, que se coloca en una toma del panel frontal.
Componentes y estructura de un PLC – memoria

15. 15
 Los módulos de E/S, también llamados módulos de señal (SМ) pueden ser
para señales digitales (DI, DO) y analógicas (AI, AO), que provienen o van a
sensores, interruptores, actuadores u otros dispositivos. El módulo de señal
(SM) coordina la entrada y salida de señales con las señales internas del PLC.
Normalmente, los SMs digitales utilizan 24 V DC y 120/230 V AC.
 Los SMs analógicos utilizan un voltaje en DC (e.j. ±10 V, 0 – 10 V o 1 – 5 V) y
una corriente directa (e.j. 4-20 mA o 0-20 mA). Optoacopladores, transistores y
relés se utilizan en la salida digital del SMs para cambiar los estados de la señal
de salida, con el fin de proteger los SMs de un cortocircuito, una sobrecarga, o
un voltaje excesivo. (ver Fig.4). Los relés son capaces de cambiar voltajes y
corrientes elevadas pero tienen una vida más corta.
 Los SMs digitales normalmente tiene más de 8, 16 o 32 entradas y/o salidas del
mismo tipo, mientras que los SMs analógicos tiene mas de 2, 4, 6 u 8 entradas
y/o salidas del mismo tipo.
Componentes y estructura de los PLC– módulos de
E/S (1)

16. 16
Circuitos de entrada y salida de un PLC
a) Circuitos de entrada de una PLC Fig.4 b) circuitos de salida de una PLC
(triac incluido)
AC
output

17. 17
 Los términos “Sinking” y “Sourcing” son importantes para una correcta conexión
de los PLC a los sensores y actuadores. Estos conceptos están unicamente
relacionados con los módulos DC. La definición más corta posible es la siguiente:
SINKING = Línea GND común (-) – tierra común
SOURCING = Línea VCC común (+) – suministro de potencia común
 Las figuras de la parte inferior muestran ejemplos de conexión de los sensores y
actuadores
Conexión de entradas/salidas de los módulos DC (2)

18. 18
 El sistema de programación más
adecuado es un ordenador
personal (PC).
 PCs y PLCs se comunican fácilmente
por medio de los correspondientes
puertos serie y paralelos.
 Programas de trabajo, ajustes,
búsqueda de los defectos, etc.
pueden crearse fácilmente por medio
del software adecuado.
 Un elevado número de compañías
sugieren la utilización de
simuladores para simular el trabajo
con los PLCs.
Instrumento para la programación hacia el PLC – 1

19. 19
Muy a menudo, se utilizan los manuales de la programación de los
instrumentos cuando se quiere encontrar defectos, modificar programas y
transferir programas a un elevado número de máquinas.
Instrumento para la programación hacia el PLC – 2
Manual de programación del
instrumento con un display

20. 20
 Una PLC puede contener un casete con un vía en la que se encuentran
diversos tipos de módulos (Fig.5):
– Módulo de interfaz (IM), conecta diferentes casetes individuales con un
único PLC;
– Módulo funcional (FM), procesamiento complejo en tiempo-crítico de
procesos independientes de la CPU, por ejemplo, conteo rápido,
– Regulador PID o control de la posición;
– Procesador de la comunicación (CP), conecta el PLC en una red de trabajo
industrial, e.j. Industrial Ethernet, PROFIBUS, AS – interfaz, conexión serie
punto-a-punto;
– Interfaz hombre-máquina (HMI), e.j. panel de operaciones ;
– Entradas/salidas remotas;
– Módulos de señal de alta-velocidad.
– Cada módulo de PLC module tiene su propia interfaz-HIM básica, utilizada
para la visualización de los errores y las condiciones de comunicación, la
batería, entradas/salidas, operación de los PLC, etc. Pequeños displays con
cristal líquido (LCD) o diodos emisores de luz (LED) se utilizan para la
interfaz-HMI.
Organización modular de un PLC (1)

21. 21
Organización modular de un PLC (2)
Fig.5. Organización modular del PLC Siemens S7-300
La posición de los módulos de este tipo no puede ser modificada pero esto sí es posible en
los PLCs producidos por otras compañías (Allen-Bradley Compact Logix PS).

22. 22
 Los PLC compactos incorporan CPU, PS, módulos de entrada y salida en un único
paquete. A menudo existe un número fijo de E/Ss digitales (no mayor a 30), una o dos
canales de comunicación (para programar el PLC y la conexión de los buses de campo) y
HMI. Puede haber una entrada para el contador de alta velocidad y una o dos E/Ss
analógicas. Para aumentar el número de las E/Ss de una PLC compacta individual se
incrementa (además) los módulos que pueden ser conectados. Estos se colocan en un
paquete, similar al del mismo PLC.
 Los PLCs compactos se utilizan en automoción como substitutos de los relés.
Tipos de PLCs – PLCs compactas
Fig.6. Ejemplos de PLCs compactos. Festo FEC FC660 PLC (a la izquierda),
Siemens Logo (en el medio) и S7-200 PLC (a la derecha) .

23. 23
 El PLC modular es mas potente y tiene más funciones que los PLC compactos.
La CPU, SM, CP y otros módulos se encuentran, generalmente, en paquetes
separados en un riel DIN o en un riel con una forma especial y que se comunica
con la CPU a través de un sistema bus. Tiene un número limitado de lugares
para los módulos pero, en la mayoría de los casos, este puede aumentarse. Los
PLCs modulares pueden utilizar un elevado número de entradas/salidas,
pueden soportar programas más grandes, guardar más datos y operar bajo el
modo de multitarea. Normalmente se utilizan para el control, regulación,
posicionamiento, procesamiento de datos, manipulación, comunicación,
monitorización, servicios-web, etc. (Fig.7).
 El PLC de tipo montaje en rack tiene prácticamente las mismas capacidades
y funciones que el PLC modular. Existen algunas diferencias en el bus o en el
rack dónde se colocan los módulos del PLC. El rack contiene ranuras para los
módulos y un sistema de bus integrado para intercambiar información entre los
diferentes módulos. La mayoría de los módulos PLC no tienen sus propias
cajas, disponen solamente de un panel frontal con una interfaz-HIM. La ventaja
principal es que pueden permitir un intercambio más rápido de los datos entre
los módulos y el tiempo de reacción por parte de los módulos es menor. (Fig.8)
Tipos de PLCs – PLC modular y de tipo montaje en
rack

24. 24
PLCs modulares y de tipo montaje en rack – ejemplos
Fig.7. Ejemplos de PLCs modulares. Siemens S7-300 PLC (en la parte izquierda) y
Allen-Bradley Compact Logix PLC (en la parte derecha)
Fig.8. Ejemplos de PLCs de tipo montaje en rack. Siemens S7-400 PLC (en la
parte izquierda) y Festo CPX PLC (en la parte derecha)

25. 25
 OPLC tiene una interfaz HIM para su funcionamiento y una monitorización de los
procesos automáticos y las máquinas. La HMI consiste principalmente en un
monitor y un teclado o una pantalla táctil. El monitor puede ser bien de tipo texto o
gráfico. La principal ventaja de este sistema respecto a un PLC con un panel
operador a parte es que no es necesario programar el panel de forma separada.
Toda la programación se realiza por medio de una herramienta software, lo que
permite economizar los gastos del desarrollo del sistema.
Panel operador y Controlador Lógico Programable
(OPLC)
Fig. 9. Ejemplo de un OPLC Unitronics M-90

26. 26
 Ordenador industrial (PC industrial) – combina un PC normal y un PLC en un
único sistema. La parte de PLC puede estar basada en hardware (PLC de tipo
slot) o basadas en un PLC con software virtual (PLC de tipo software). Los
ordenadores industriales utilizados son de tamaño medio y tienen una gran
cantidad de aplicaciones en la automatización donde se requiere un control
rápido de los procesos, así como una recopilación rápida de los datos y un
intercambio con el OPC y/o el servidor SQL (estos pueden estar integrados en el
PC), así como un funcionamiento y monitorización sencillos y un ciclo de vida
largo. (Fig.10).
 Los PCs industriales a menudo utilizan un bus de campo para el control de los
procesos y/o maquinaria automatizada. Algunos de ellos tienen incorporadas
entradas/salidas, así como otros tipo de partes modulares del PLC.
 La desventaja de los ordenadores industriales es que, tras un periodo de tiempo
puede suceder que no se encuentren recambios de ciertas partes (memoria,
procesador, tarjeta de video etc.) debido a que han dejado de producirse.
.
.
Otros tipos de PLCs– 1

27. 27
 Tipo de ranura de un PLC. El tipo de ranura de un PLC es una tarjeta especial,
que posee todas las funciones de cualquier CPU de un PLC normal. Se sitúa en
el (en una ranura vacía de la placa base), que permite intercambiar directamente
la información entre las aplicaciones-HIM del PC existente y/u otras aplicaciones
software. La ranura de la tarjeta del PLC tiene, por lo menos, un canal de
comunicación para conectar con el bus de campo (para conectar con unas
entradas/salidas remotas o con otros dispositivos PLC).
.
Otros tipos de PLCs – 2
Fig.10. Ejemplos de PCs industriales, fabricados por a empresa Siemens

28. 28
 PLC de tipo software. Se trata de un PLC virtual, que trabaja en un ordenador
personal. Para controlar las máquinas o procesos se utilizan los puertos de
comunicación del PC (Ethernet, COM) o unas tarjetas especiales del tipo del bus
del sistema (que se sitúan en el PC) para poder realizar una comunicación
remota con las entradas/salidas de otros dispositivos para la automatización.
 La desventaja de los PLC de tipo software es la falta de memoria individual para
guardar los datos y la pérdida de los datos sobre el control de los procesos
cuando se interrumpe el suministro de potencia. Existe también el riesgo de que
al cambiar el OS el PLC virtual no sea compatible con el nuevo sistema. Además
no esta garantizado que otras aplicaciones como las HIM o los servidores OPC
puedan trabajar simultáneamente con la PLC de tipo software sin generar ningún
problema y que su funcionamiento no tenga ninguna influencia sobre el del PLC
de tipo software ( ej. la velocidad de control sobre los procesos puede verse
disminuida, la conexión sobre el bus de campo puede perderse en ciertos
momentos, etc.) .
.
Otros tipos de PLCs – 3

29. 29
El controlador programable puede estar diseñado en su arquitectura como un sistema
multiprocesos especializado, basado en redes de PLCs, que se localizan en diferentes
niveles (Fig.11). El controlador denominado como ‘Maestro’ puede modificar la estructura,
los algoritmos, los ajustes, las asignaciones, etc. de su subordinado o el controlador llamado
‘esclavo’. Este lleva a cabo un procesamiento complejo de los datos con el fin de coordinar
todo ya que posee muchos más recursos a su disposición. Un ‘Maestro’ puede ser un PLC o
un ordenador que controle de forma más potente al disponer de un mayor acceso a los
parámetros de configuración de cada controlador subordinado.
PLC de arquitectura maestro y esclavo
Fig.11

30. 30
 Un PLC recibe y transfiere señales eléctricas,
expresando así variables físicas finitas (temperatura,
presión etc.). De este modo, es necesario incluir en el
SM un convertidor de señal para recibir y cambiar los
valores a variables físicas. Existen tres tipos de señales
en un PLC: señales binarias, digitales y analógicas.
 La señal binaria es una señal de un bit con dos
valores posibles (“0” – nivel bajo, falso o “1” – nivel alto,
verdadero). Estas señales se codifican por medio de un
boton o un interruptor. Una activación, normalmente
abre el contacto correspondiendo con el valor lógico “1”,
y una no-activación con el nivel lógico “0”. Los límites de
tolerancia se definen con interruptores sin contacto. Así
el IEC 61131 define el rango de -3 - +5 V para el valor
lógico “0”, mientras que 11 - 30 V se definen como el
valor lógico de “1” (para sensores sin contacto) a 24 V
DC (Fig.12).
 A los 230 V AC, la IEC 61131 define el rando de 0 – 40
V para el valor lógico de “0”, y 164 – 253 V para el
valor lógico “1” .
Tipos de señal en un PLC – 1
Fig.12. Niveles lógicos a 24 V
DC

31. 31
 Una señal digital es una secuencia de señales binarias, consideradas como
una sola. Cada posición de la señal digital se denomina un bit. Los formatos
típicos de las señales digitales son: tetrad – 4 bits (raramente utilizado), byte – 8
bits, word – 16 bits, double word – 32 bits, double long word – 64 bits (raramente
utilizado).
 Las señales analógicas poseen valores continuos, consisten en un número
infinito de valores (ej. en el rango de 0 – 10 V). Hoy en día, los PLCs no pueden
procesar señales analógicas reales. De este modo, estas señales deben ser
convertidas en señales digitales y vice-versa. Esta conversión se realiza por
medio de SMs analógicos, que contienen ADC. Puede conseguirse una elevada
resolución y precisión de la señal analógica utilizando más bits en la señal digital.
Por ejemplo, una señal analógica típica de 0 – 10 V puede ser con precisión
(pasos para la conversión en una señal digital) desde 0.1 V, 0.01 V o 0.001 V de
acuerdo al número de bits que vaya a tener la señal digital.
.
Tipos de señal en un PLC – 2

32. 32
 Un PLC funciona cíclicamente. Cada ciclo comienza con un trabajo interno de
mantenimiento del PLC como el control de la memoria, diagnostico etc. Esta
parte del ciclo se ejecuta rápidamente de modo que el usuario no llegue a
percibirlo.
 El siguiente paso es la actualización de las entradas. Las condiciones de la
entrada de los SMs se leen y convierten en señales binarias o digitales. Estas
señales se envían a la CPU y se guardan en los datos de la memoria.
 A continuación, la CPU ejecuta el programa del usuario, el cual esta cargado
secuencialmente en la memoria (cada instrucción individualmente). Durante la
ejecución de este programa se generan nuevas señales de salida.
 El último paso es la actualización de las salidas. Tras la ejecución de la ultima
parte del programa, las señales de salida (binarias, digitales o analógicas) se
envían a la SM desde los datos de la memoria. Estas señales son entonces
convertidas en las señales apropiadas para las señales de los actuadores. Al final
de cada ciclo el PLC comienza un ciclo nuevo. En la Fig. 13 se muestra el ciclo
de operación de un PLC. Se trata de como es el funcionamiento de un PLC
Siemens S7-300.
 El ciclo de operación de los PLCs de otras empresas puede ser un poco
diferente.
.
¿ Cómo funciona un PLC ?

33. 33
Ciclo de operación de un PLC

34. 34
Es obvio que el tiempo de reacción entre un determinado evento dependerá del
tipo de ejecución de un ciclo del programa aplicado y se define como el tiempo
desde el momento de ocurrencia de un evento hasta el momento en el que se
envía la correspondiente señal de control a la salida del PLC.
Tiempo de reacción de un PLC

35. 35
 Los PLCs modernos tienen la capacidad de operar bajo un modo de
multitareas, ej., un PLC puede trabajar simultáneamente en dos tareas
diferentes (utilizando programas distintos). En la práctica, un PLC puede ejecutar
solamente una tarea en cada momento. Sin embargo, como las CPUs de los
PLCs trabajan extremadamente rápido, parece que el PLC ejecuta diferentes
tareas simultáneamente.
 El estándar IEC 61131 define una tarea como un elemento de ejecución de
control, capaz de generar la ejecución de una secuencia de unidades
organizadas de un programa (programas definidos) o basada en periodicidad
(tareas periódicas) o basada en un evento (tarea no-periódica).
 Las tareas periódicas se ejecutan periódicamente sobre un tiempo ya definido,
establecido por el usuario. Las tareas no-periódicas se ejecutan con la ocurrencia
de un determinado evento, relacionado con la tarea. El evento y la tarea se
relacionan mediante una variable Booleana.
 Un bloque de prioridad de tareas se utiliza en las multitareas, el cual establece
un plan de la prioridad de las tareas.
 Para mayor información sobre la función multitareas ver [4].
.
Multitareas de un PLC

36. 36
Preguntas de control
1. ¿ Cuales son las particularidades de un PLC? Compare un PLC con un PC y
con un sistema de microprocesador ?
2. ¿ Cuales son los principales componentes de un PLC y cuales son sus
funciones ?
3. ¿ Qué tipos de PLCs existen? Cuál es la característica de la arquitectura
maestro-esclavo ?
4. ¿ Cuales son las principales señales que se utilizan en los PLCs ?
5. ¿ Cómo opera un PLC ?

37. 37
Referencias:
1. http://anp.tu-sofia.bg/djiev/PDF%20files/CHAP8.pdf
2. http://www.automatic-project.eu/Modules_bg/Module%204,%20Chapter%202.pdf
3. http://78.90.89.159/home/materiali/Masters/SU/SU_Lektures%281%29.pdf
4. http://engineering-review.bg/engineering-statii.aspx?br=14&rub=118&id=239